Выбираем USB ЦАП для смартфона и ПК. 7 доступных вариантов на замену встроенной звуковой карте

Большинство читателей сейчас подумали: зачем вообще цеплять к смартфону какой-то дополнительный девайс, если можно купить хорошие наушники? И правда – какие преимущества дает внешний ЦАП? Давайте разберемся с этим вопросом и посмотрим на лучшие девайсы, которые помогут вашему мобильнику звучать на порядок лучше.

Каждый музыкальный файл в памяти смартфона представлен в виде цифрового кода, то есть в виде нулей и единиц. Чтобы вы могли его услышать в наушниках или динамике, его необходимо преобразовать из цифровой формы в аналоговую. Эту работу берет на себя ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь).

В каждом смартфоне, планшете и ноутбуке есть встроенный ЦАП. Но проблема в том, что родной преобразователь, как правило, слаб. Аудиофильские гаджеты с хорошей акустикой интересны лишь узкой аудитории, поэтому производители делают ставку на более востребованные характеристики – камеру, автономность, быстродействие, сочную картинку. Если вам кажется, что ваш смартфон играет хорошо, поверьте, это далеко не так.

При наличии внешнего ЦАП аудиосигнал декодируется не встроенным преобразователем, а внешним, который на порядок мощнее, поэтому мелодия звучит разнообразнее, и в ней вы можете различить детали, на которые раньше не обращали внимания. Иными словами, с внешним ЦАП музыка любого жанра становится более четкой, богатой и насыщенной басом, то есть приближается к той форме, какой ее создавал музыкант. Конечно, и наушники играют роль, но если встроенный преобразователь качеством не блещет, то и от наушников толку будет мало.

Получается, портативный ЦАП может колоссально повлиять на ваши ощущения от прослушивания музыки с мобильного устройства. А что касается удобства, среди внешних преобразователей есть модели, которые обладают функцией беспроводной связи.

Ну что, мы вас убедили? Тогда давайте взглянем на самые популярные предложения, которые можно купить в 2021 году.

iFi hip-dac

Цена: 17 360 рублей

iFi hip-dac – отличный выбор, если вы хотите приобрести портативный ЦАП, который не только улучшит воспроизведение музыки, но и выполнен в красивом дизайне. Благодаря поддержке множества вариантов подключения и кодеков даже самые лучшие модели наушников будут звучать лучше.

Цена устройства составляет чуть больше 17 000 рублей, и это не слишком дорого, учитывая характеристики модели. ЦАП, к тому же, выглядит великолепно: роскошный голубой цвет в паре с дизайном в виде фляги не оставит равнодушным никого! Кроме того, стоит отметить размеры: преобразователь может с легкостью поместиться в кармане.

Среди минусов нужно выделить отсутствие поддержки Bluetooth. Кроме того, пользователям Apple нужно покупать дополнительный кабель, но в целом iFi hip-dac – фантастический ЦАП.

Преимущества:

Недостатки:

iFi Zen

Цена: 15 040 рублей  

iFi Zen – идеальный вариант для пользователей с ограниченным бюджетом. Устройство представляет собой комбинацию цифроаналогового преобразователя и усилителя для наушников, и имеет достаточную мощность, из-за чего является чрезвычайно уникальным девайсом (совместима со многими типами наушников).

iFi Zen может похвастаться большим количеством функций, включая поддержку MQA, DSD256, PCM384, DXD384. Также стоит отметить сбалансированные входы/выходы, а также функцию обхода встроенного усилителя для использования его в качестве «чистого» ЦАП. Сейчас, быть может, все эти функции не выглядят столь привлекательными, но, поверьте нам, покупка iFi Zen – хорошая инвестиция на будущее!

Стоит отметить, что цена устройства довольно-таки низкая, учитывая его функционал – всего лишь 15 000 рублей.

Если вы любите «побаловаться» со звуком в наушниках или просто хотите приобрести компактный ЦАП/усилитель, iFi Zen DAC – отличный выбор.

Преимущества:

Недостатки:

iFi xDSD

Цена: 46 480 рублей

По качеству преобразования звука iFi xDSD и его ближайший конкурент Chord Mojo идут совсем рядом, однако по ряду причин xDSD занимает более высокую позицию в подборке.

Это портативный ЦАП и усилитель в одном флаконе. Выглядит он очень стильно. Ребристый корпус выполнен из металла с глянцевой отделкой. В комплекте с xDSD покупатель получает бархатный чехол-мешочек, несколько полосок текстильной липучки, чтобы крепить устройство к задней панели смартфона, и набор переходников для подключения к различным источникам звука.

Доступны два варианта подключения – проводной и беспроводной. Соединение по Bluetooth использует формат сжатия aptX для потоковой передачи аудиоданных без потерь в высоком качестве. Универсальный USB Type-A пригодится для подключения к самым разным источникам звука – от смартфонов до проигрывателей.

С xDSD вы откроете для себя музыкальные форматы продвинутого уровня. В отличие от Mojo, xDSD может обрабатывать MQA (Master Quality Authenticated) – формат студийного качества, используемый сервисом Tidal Masters. Девайс способен воспроизводить как DSD, так и PCM аудио без преобразования в другой формат с неизбежными потерями.

Девайс дает ощущение полного контроля над звуком. Этому способствуют аналоговое колесико регулировки громкости и различные режимы прослушивания: Listen для оптимизированных средних частот, имитация концертного исполнения 3D+Matrix и мягкое усиление басов.

Есть и более дешевый вариант – усилитель для наушников iFi xCAN, он предлагает по большей части те же самые характеристики, но лишен USB.

Многих пользователей в xDSD привлекает именно возможность экспериментов со звуком. Если же вы из тех, кто предпочитает подход попроще, обратите внимание на популярный Chord Mojo. Эта модель приведет вас к идеальному звуку за минимальное количество шагов.

Преимущества:

  • Футуристичный дизайн.
  • Аналоговый регулятор громкости.
  • Встроенная батарея.

Недостатки:

  • К элементам управления нужно привыкать.
  • Сложнее в использовании, чем Chord Mojo.

Chord Mojo

Цена: 41 500 рублей

Chord Mojo – девайс довольно крупный, так как внутри него стоит собственный аккумулятор. Эту особенность можно отнести одновременно и к плюсам, и к минусам. При работе усилитель не разряжает смартфон, однако если не следить за его зарядом, можно остаться без музыки в самый неожиданный момент.

Впрочем, автономность для устройства такого рода весьма приемлемая – 8-10 часов. Зарядка занимает около 5 часов. Другие функции включают в себя два выхода на наушники и подсветку кнопок громкости, которая информирует о качестве проигрываемого файла.

Свою начинку Mojo использует на полную. По сравнению со встроенной аудиосистемой iPhone, усилитель выдает более четкий звук. Если без Mojo в треке преобладают высокие и низкие частоты, то при подключении усилителя средние проявляются более отчетливо, мелодия тут же становится разнообразнее и сложнее.

Chord Mojo нельзя отнести к компактным аксессуарам, и возможно это не самый удобный вариант для прогулок: поскольку доступно только проводное подключение, вам придется придумать, как разложить смартфон и усилитель по карманам, чтобы провод не мешал двигаться.

Преимущества:

  • Мощное усиление.
  • Простые контроллеры.
  • Есть встроенный аккумулятор.

Недостатки:

  • Перед использованием нужно заряжать.
  • Большой и довольно громоздкий.
  • Нет Bluetooth.

Audiolab M-DAC Nano

Цена: 9 990 рублей

Не приглянулся Chord Mojo? Тогда вот миниатюрный M-DAC Nano. Пусть его размер вас не смущает – по технической части тут полный порядок.

Это не только качественный преобразователь аудио, но и Bluetooth-ресивер, который превратит ваши проводные наушники в беспроводные и даст неограниченную свободу передвижения. Все просто: настраиваете сопряжение по Bluetooth между смартфоном и M-DAC Nano, а затем подключаете к последнему проводные наушники и наслаждаетесь прекрасным звуком. Стандартный радиус действия связи 10 метров позволяет без проблем перемещаться по квартире или спортзалу без необходимости таскать смартфон в кармане.

На корпусе устройства предусмотрено 64-ступенчатое колесико регулировки громкости. Кнопка F активирует режим улучшенного воспроизведения с частотой дискретизации 32bit / 384kHz, что приводит к разительным изменениям в звуке. Других настроек нет, но вы всегда можете скорректировать звучание программным способом через музыкальный плеер.

При использовании в обычном режиме батарейки хватает примерно на 8 часов работы, но при повышенной дискретизации расход энергии возрастает и тогда можно рассчитывать не более чем на 6 часов воспроизведения. Наушники при этом будут работать с мощностью до 7,5 МВт / 300 Ом.

Поскольку в 2021 году ходить с проводными наушниками неудобно и немодно, M-DAC Nano может стать альтернативой дорогим беспроводным наушникам или даже флагманскому смартфону с хорошим звуком.

Преимущества:

  • Прост в использовании.
  • Подходит для наушников с высоким импедансом.
  • Есть Bluetooth 4.2 с учетом кодеков aptX, aptX Low Latency и AAC.

Недостатки:

  • При максимальной нагрузке автономность всего 6 часов.
  • Настройки ограничены по сравнению с другими моделями.

Audioquest Dragonfly Red/Black

Цена: от 10 390 рублей

Audioquest выпустил оригинальный USB ЦАП Dragonfly еще в далеком 2012, однако в то время требования устройства к питанию позволяли использовать его только с настольными компьютерами. С современными микроконтроллерами девайс потребляет около 25 мАч и может успешно питаться от любого смартфона, в том числе и от iPhone через порт Lightning.

Главная фишка Audioquest Dragonfly кроется в размере. Устройство по габаритам не отличается от обычной USB-флешки, а потому без проблем помещается в кармане вместе со смартфоном.

Цвет устройства – не просто дизайнерское решение, но и указатель на технические характеристики. Dragonfly Red относится к премиальному классу. В нем стоит более качественный преобразователь, выходная мощность составляет 2,1V в отличие от 1,2V у версии черного цвета. Это значит, что Audioquest Dragonfly Red – более оптимальный выбор для высокоомных наушников.

С моими наушниками, подключенными напрямую к iPhone, музыку комфортно слушать примерно на половине от максимальной громкости. Через Dragonfly Red уровень можно понизить где-то до четверти, а с Dragonfly Black как ни странно громкость приходится устанавливать всего на одно деление. Это значит, что контроля над звуком в последнем случае не остается вообще – если прибавить один шаг, музыка играет слишком громко, если уменьшить – отключится совсем.

Тем не менее, обе версии устройства очень аккуратно выделяют низкие частоты, не жертвуя четкостью средних. Например, Daft Punk «Get Lucky» без ЦАП звучит уже не так детально и разнообразно, как с ним.

Стоит ли переплачивать за версию Red зависит от того, насколько вам сложно регулировать громкость в ваших наушниках. А что касается качества звука, в хороших накладных наушниках вы заметите больше изменений, чем в дешевых затычках.

Ни Dragonfly Red, ни Black не могут сравниться с крутостью Chord Mojo, однако бюджетная цена и компактный форм-фактор делают их очень привлекательным предложением.

Преимущества:

  • Очень компактный.
  • Питается от смартфона.

Недостатки:

  • Нет детальных настроек.
  • Возможны трудности с регулировкой громкости.

Creative Sound Blaster E5

Цена: от 12 990 рублей

О компании Creative Labs слышал каждый аудиофил. Ее звуковые карты производили настоящий фурор в конце 90-ых, в тот период компания была чуть ли не богом всех любителей качественного звука. С тех пор она успела поработать со многими технологиями, трудилась над созданием необычных наушников-вкладышей с тройным драйвером и 11.2.4-канальной звуковой панелью, а также искала пути производства недорогого портативного ЦАП.

Результатом последней работы стал Creative Sound Blaster E5 – середнячок в огромном семействе ЦАПов Creative Sound, который предлагает функцию беспроводного подключения.

Наличие беспроводной связи само по себе огромный плюс, однако тут у нее есть некоторые ограничения: Bluetooth в этом устройстве не способен передавать музыку в CD-качестве без помощи продвинутых кодеков, таких как LDAC или aptX HD. Из-за этой особенности музыка по беспроводной связи звучит неплохо, но не более того. Конечно, поскольку преобразование цифрового сигнала в аналоговый происходит во внешнем устройстве, результат получается неплохим, но все равно никак не лучше, чем родной Hi-Res.

Тем не менее, если беспроводные удобства для вас приоритетнее, чем высокое качество аудио, Blaster E5 – далеко не худший выбор, тем более что и цена его вполне демократична.

Преимущества:

  • Есть NFC для Android.
  • Беспроводное воспроизведение.

Недостатки:

Почему вам стоит приобрести внешний ЦАП?

Давайте подведем итог и еще раз поговорим о преимуществах, которые дает вашему смартфону или планшету внешний цифро-аналоговый преобразователь.

Поскольку техники сейчас много и каждый проигрыватель имеет свои характеристики, один и тот же трек на разных устройствах будет играть с отличиями – тише или громче, со слабыми басами, но очень выраженными высокими частотами или наоборот. В любом случае то, что вы слышите из динамиков своего смартфона или ноутбука, очень далеко от той музыки, которую писал музыкант на студийном оборудовании.

Конечно, со временем вы привыкаете к тому, как играет смартфон, и большинство недостатков перестают резать уши. Но для настоящего аудиофила такой звук будет сущей пыткой, ведь слабая акустика безжалостно уничтожает нюансы композиции.

Главная причина, почему музыка играет плохо на смартфоне или ноутбуке – несовершенство встроенного цифро-аналогового преобразователя. Однако тот факт, что в смартфоне есть собственный ЦАП, нисколько не мешает подключить внешний.

Это стоит сделать в двух случаях.

Во-первых, для получения более качественного аудиотракта, поскольку внешний преобразователь обрабатывает сигнал, как правило, намного лучше внутреннего.

Во-вторых, чтобы раскачать хорошие наушники. Дорогим высокоомным наушникам (с высоким импедансом, то есть более 100 Ом) требуется сопутствующее оборудование аналогичного уровня. В этом случае качественный внешний ЦАП поможет им зазвучать в полную силу.

Источник: www.techradar.com

Сегодня будет рассказ о сборке интересного аудиоустройства.

Технические характеристики:Диапазон воспроизводимых частот 20Гц – 20кГц. – зависит от частоты дискретизации воспроизводимого файла.Уровень собственных шумов -110дБДинамический диапазон 110 дБКоэффициент гармонических искажений 0.0004%Взаимное проникновение каналов -105дБИнтермодуляционные искажения 0,0017%Сегодня я готов рассказать о том, как я собираю цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Тот, о котором дальше пойдет речь уже третий по счету. Первый – был для меня настоящим вызовом. Я даже сам не представлял как я справлюсь с такой задачей. Теперь же спустя несколько лет, я уже не вижу в этом особых сложностей. Поэтому, если кто-то еще так же как и я вдохновляется хорошей музыкой и кому хочется самому собрать для себя цап наивысшего качества по вполне бюджетной цене – присаживайтесь по-удобнее.Первый в своей жизни ЦАП на микросхеме AK4495seq я собрал для своего друга, т.к. он не мог найти достойного качества по разумной цене. С тех пор все цапы я собираю на этой микросхеме. Мы вместе выбирали и сравнивали разные готовые модели цапов в интернет-магазинах и в итоге поняли, что требуемое качество совершенно не подходит по цене. В итоге было решено попробовать собрать цап самостоятельно. В итоге цапом остались довольны.Первый вопрос, который меня волновал, это то, что понадобится какой-то драйвер для usb под windows. Написать его самостоятельно я точно не смогу. Изучив тему, я понял, что и не придется. Cегодня на рынке топовых решений существует два варианты – это относительно дешевые usb интерфейсы на микросхеме XMOS U8 и прямой его конкурент с чуть лучшими характеристиками Amanero. Для этих плат уже есть драйверы, написанные разработчиками. Для Mac OS и Linux драйверы и вовсе не нужны. Платы конвертируют сигнал от шины usb в шину I2S, по которой принимают данные все современные цапы. Все, что требуется, это соединить его по шине I2S проводами к соответствующим пинам. Обычно они подписаны на плате. Оба интерфейса 32 битные и поддерживают частоты дискретизации вплоть до фантастических 384кГц. Также они поддерживают воспроизведение DSD файлов. XMOS u8 до DSD256, а Amanero до DSD512. Музыку в таком качестве мне удалось найти всего лишь на одном сайте. И это в основном классика. Около 20 композиций на сегодняшний день.Небольшое отступление в теорию.Сразу хочу объяснить для чего такие заоблачные характеристики. Многие подумают, что и 44.1кГц, которые поддерживают все устройства сегодня, вполне достаточно. Обычно такие люди сразу вспоминают теорему Найквиста-Котельникова. Забывая при этом, что она сформулирована для непрерывных гармонических сигналов, которыми музыка не является. Суть теоремы состоит в том, что непрерывный сигнал с ограниченным спектром можно абсолютно точно представить набором его отдельных значений («отсчетов»), следующих с равными интервалами, при условии, что частота следования этих отсчетов, как минимум, вдвое превышает верхнюю границу спектра указанного сигнала.То есть для цифрового представления максимальной частоты, слышимой человеком (20 кГц), нам понадобится частота дискретизации в два раза больше – 40 кГц. Для наглядности приведу фото. Но возьмем частоту не в двое, а в 4 раза меньше частоты дискретизации – 11025 кГц. Такую частоту совершенно точно слышат все люди, а не только летучие мыши. Вот так примерно выглядит аналоговый непрерывный синусоидальный сигнал с частотой в 11,025кГц на экране осциллографаimageА вот так выглядит его цифровое представление при частоте дискретизации 44100 Гц:imageКак видно, сохраняется только частота сигнала, но никак не его форма. Что не удивительно, т.к. на один период сигнала приходится всего 4 отчета. И это еще если частота сигнала кратна частоте дискретизации. А если взять не кратную, например 10 кГц ровно, то получится, что отчеты уже не будут приходиться на максимумы и минимумы нашего исходного сигнала и картина изменится:Как можно заметить, изменяется даже амплитуду сигнала.А вот так выглядит тот же сигнал в 11025Гц, представленный в цифровом виде с частотой дискретизации 192кГц:Уже гораздо больше похоже на оригинал, т.к. отчетов на один период выходит 18 и сигнал описывается точнее. Я считаю, что этого вполне достаточно. Конечно данную проблему можно с успехом решить различного рода фильтрами и апсэмплингом, что и делается сегодня, и благодаря чему дискретизации с частотой 44100 Гц достаточно абсолютному большенству. Но этой теме можно посвятить отдельную научную статью. Надеюсь, теперь отпадет вопрос в необходимости частот дискретизации 96 кГц и192 кГц.После небольшого отступления возвращаемся обратно.Сейчас же я собираю цап уже для себя.Свой выбор usb интерфейса я остановил на Amanero, т.к. до этого делал на микросхеме XMOS U8, а теперь хотел узнать про второй.Вопрос выбора микросхемы цап был решен уже тогда, когда я собирал первый вариант для своего школьного друга. Это все та же AK4495seq. Это 32 битный чип (вместе с amanero получается полностью 32 битное устройство). Максимальная частота дискретизации еще более впечатляет – 768кГц. Поддерживает воспроизведение DSD файлов 2.8МГц 5.6МГц (DSD64 и DSD128) в режиме native, без конвертации в PCM формат.Также после микросхемы цапа должен стоять буферный усилитель выполненный по схеме активного фильтра нижних частот, для эффективной фильтрации воспроизводимого диапазона. Рекомендуемая его схема уже представлена в datasheet к цапу и выглядит следующим образом:На каждый канал требуется по 3 монофогических операционных усилителя NJM5534D. Такое решение позволяет достичь заявленных производителем характеристик готового цапа.Мне удалось найти печатную плату, выполненную по такой схеме и набор подобранных радиоэлементов к ней. Это сильно упрощает задачу.
Я предпочитаю всегда брать не собранные варианты, т.к. качество китайской пайки зачастую низкое, а также я получаю большее удовольствие от сборки, когда паяю сам. К тому же это позволяет еще и сэкономить, т.к. не собранные платы еще и дешевле.Вот, к примеру, как должен вытекать припой на обратную сторону платы по ножке радиоэлемента, чтобы можно было говорить о качественной пайке, также при правильно подобранной температуре жала паяльника, пайка получается блестящей. Обязательно следует отмывать платы от флюса, даже если на нем написано, что этого допускается не делать.Заранее я прикидывал компоновку плат в корпусе, не без помощи, конечно.На фото можно заметить уже собранный усилитель для наушников, который я хотел установить в корпус цапа, но кошак сказала, что так делают только оч маленькие дети и все равно он не помещается.Ну что ж, кошак дело говорит. Решено было сделать так:На фото стабилизатор двуполярного питания на LM317 LM337 + TL431 с возможностью регулировки выходного напряжения подмтроечными резисторами для положительного и отрицателного плеча, ниже плата цапа и нч-фильтра, usb интерфейс Amanero, 2 трансформатора отдельно для аналоговой и цифровой схемы, рядом с которыми фильтр от электромагнитных помех в питающей сети. Питание цапа реализовано на самой плате.К моменту фотографии уже был сделан тестовый запуск.Все платы были закреплены на стойки к металлическому дну, толщина которого позволила нарезать резьбу и закрепить платы без гаек заподлицо.
Итого 28 отверстий с резьбой, включая 4 отверстия для крепления ножек. Еще 2 сзади под тюльпаны и одно квадратное для usb разъема. Провозился целый день.Весь следующий день я занимался соединением плат и прокладыванием проводов внутри корпуса. Вот, что у меня вышло:
Кнопка при включении загорается белым.Многие бы на этом остановились, и считали бы процесс завершенным. В комментариях бы начали задавать вопросы по поводу звучания и началась бы аудиофилия чистой воды. Поэтому я считаю, что все посты про сборку усилителей, цапов и прочей аудиотехники должны заканчиваться реальными замерами характеристик с предоставлением всех графиков для объективной оценки качества двух устройств между собой. Чтобы можно было сказать, что, да это устройство лучше, а это хуже. Я крайне не приемлю словесное описание звука. Никакая теплота и воздушность не подходит. Что вот это значит вообще? Как можно судить, что это устройство выдает более теплый звук, а это мене. Я не филолог и не лингвист, я инженер. Я окончил факультет радиотехники и электроники и для меня понятны сухие цифры и графики. Никакая эмоциональная составляющая не должна влиять на оценку качества устройства. Как бы Вы не были рады и горды собой, когда собственными руками собрали свой усилитель, вы должны задать себе всего один вопрос, который я постоянно себе задаю «А не херню ли я собрал?». Как доказать, что устройство действительно хорошее? Только измерениями фактических характеристик. Поэтому дальше я прилагаю графики, сделанные с помощью программы RightMark Audio Analyzer (RMAA 6.4.2) и аудио интерфейса E-MU Tracker Pre.График АЧХ:Из графика видно, что полоса пропускания абсолютно ровная и ограничивается 20 кГц. Заметна небольшая разница между левым и правым каналом. Согласно измерениям, она составляет не более 0,2 дБ.Уровень шума:Шумовая полка на ВЧ находится на уровне -141 дБ. Есть небольшие всплески, не превышающие -132 дБ в диапазоне от 1кГц до 3кГц. Так как речь идет о всем звуковом диапазоне, то уровень шума необходимо брать по наибольшему значению, что составляет менее – 120 дБ. Если брать частоту в 1 кГц, то уровень шума можно записать, как -142 дБ. Но на графике видно, что есть значения выше.Динамический диапазон:Измеренное значение составляет 110дБ.Суммарные гармонические искажения + шум:Коэффициент гармоник 0,0005% – худшее значение за все измерения. Обычно 0,0004%Как видно, вторая и третья гармоники находятся на уровне примерно -114 дБ. Отсутствует полностью фоновый шум питающей сети в 50 Гц и 100Гц, а также гармоники выше 3 ей.Интермодуляционные искажения:0,0016%Взаимное проникновение каналов в зависимости от частоты:На 100Гц -103 дБНа 1кГц -103 дБНа 10кГц -83 дБИнтермодуляционные искажения для плавающего тона:На 5 кГц 0,0017%На 10 кГц 0,0014%На 15 кГц 0,0020%ИсточникЕсли у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите Аслану (shauey@yandex.ru) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта Как это сделаноЕще раз напомню, что посты теперь можно читать на канале в Телеграмеи как обычно в инстаграме.    Жмите на ссылки, подписывайтесь и комментируйте, если вопросы по делу, я всегда отвечаю.Жми на кнопку, чтобы подписаться на “Как это сделано”!

В статье производится сравнение качества работы 2 видов музыкальных ЦАП: мультибитного и сигма — дельта.

imageСпоры вокруг темы вынесенной в заглавие статьи не утихают по сегодняшний день, хотя про­изводители ЦАПов всё давно без нас решили, и, по сути, вынесли мультибитным ЦАПам приговор. Виной этому тот факт, что параметры современ­ных сигма-дельта ЦАПов и по шумам, и по искаже­ниям формально, именно формально, при работе с синусоидальным (т.е. не встречающимся в музы­ке) сигналом давно превзошли параметры самых лучших мультибитных ЦАП.

Отметим, что формальное сравнение техниче­ских характеристик мультибитных и сигма — дель­та ЦАПов не несёт никакой полезной информации об их звучании, поскольку оба вида ЦАП (теорети­чески) обладают нелинейными искажениями ниже порога чувствительности человеческого слуха.

Однако различия в звучании этих двух видов ЦАП замечает даже неподготовленный слушатель!

Желание разобраться в этом казусе и является целью этой статьи. В качестве отправной точки при­ведем выдержку из [1]: «…Необычайна чувствитель­ность слуха к временным различиям (форме вол­ны) и длительности звука. Чувствительность слуха к частоте, интенсивности и длительности связаны друг с другом. Слуховой аппарат имеет удивитель­ную дифференциальную способность обнаружи­вать небольшие различия между сходными звука­ми по всем параметрам: интенсивности, частоте, временной структуре и длительности. Без этого не­возможно было бы восприятие речи….»(подробней см. http://ecosound.pro/index.htm)

Итак, первое, на что нам следует обратить вни­мание, это точность передачи формы аудиосигна­ла. Именно это определяет качество звучания за­писи музыкального произведения.

Что же, давайте посмотрим, что нам предлага­ют сигма — дельта и мультибитные ЦАПы, в поряд­ке улучшения их характеристик.

Методика тестирования

Для тестирования использовался уникальный метод вычитания «живого» звукового сигнала в ре­альном времени. Несмотря на всю его очевид­ность, им, по-видимому, мало кто пользуется.

Из выходного тока тестируемого сигма — дель­та ЦАПа аппаратно вычитался эталонный ток муль- тибитного ЦАП (отобранного экземпляра типа РСМ170411К, имеющего гарантированную точ­ность 0,001%).

Временная задержка компенсировалась в зву­ковом редакторе (грубо), а затем с помощью про­граммируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) (точно).

При этом на вход ЦАП подавались следующие тестовые сигналы:

  • прямоугольный импульс;
  • меандр;
  • дельта-импульс различной длительности.

Испытания ЦАП CS4398

Разницу (представляющую собой погреш­ность воспроизведения формы волны) можно бы­ло не только увидеть на осциллографе, но и услышать. Интересно, что для ЦАП типа СS4398 этот метод оказался явно избыточным, его по­грешность было видна «невооружённым глазом» (см. рис.1 на котором хорошо видно отличие оги­бающей выходного сигнала ЦАП от прямоуголь­ного импульса).

image Разработчики этого сигма — дельта ЦАПа изо­брели какой-то совершенно «особенный» цифровой фильтр, с разным временем реакции «вперёд» и «назад». На рис.2 показан результат вычитания (ошибка).image

На рис.3 показана профильтрованная цифро­вым ФНЧ осциллографа формы на выходе CS4398 (кривая 1) и отфильтрованная тем же способом ошибка (кривая 2).imageОтметим, что ошибка передачи формы даже на низких частотах составляет около 2% — это очень много.

Разумеется, что ЦАП с такой большой ошибкой передачи формы будет звучать весьма посредст­венно. Однако производители нас откровенно об­манывают — у этого ЦАП КНИ заявлен просто ве­ликолепный -107 дБ.

Как оказалось, с помощью эквалайзера (в зву­ковом компьютерном редакторе) удалось немно­го уменьшить амплитуду погрешности выходного сигнала ЦАП, что свидетельствует о нелинейнос­ти как АЧХ так и ФЧХ ЦАПа типа CS4398.

А это значит, что звучание ЦАП СS4398 будет неточное во всём звуковом диапазоне.

Испытания ЦАП АК4399

При испытаниях ЦАП типа АК4399, оснащенно­го цифровым фильтром, всё оказалось гораздо лучше. Как видно из рис.4 он отличается симме­тричной характеристикой фильтра. imageА на рис.5 вид­но, что он имеет почти симметричный сигнал ошибки (на рис.5 кривая 1 — осциллографа фор­мы на выходе, кривая 2 — ошибка).imageЦАП типа АК4399 показал значительно мень­шую погрешность формы, около 0,2%, при этом вся энергия ошибки находилась в высокочастот­ной звуковой области (выше 5-7 кГц) и на слух вос­принималась как неестественно шипящие и «зама­занные» ВЧ.

Звучание ЦАП АК4399 до некоторой степени даёт то ощущение «пустоты», которое неизменно присутствует на фоне грома инструментов в со­временной аудио аппаратуре премиум сегмента.

Этот ЦАП хорошо отыгрывает неплотную клас­сику, вокал, неагрессивные акустические инстру­менты. Нижний регистр точный, а общее ощуще­ние от прослушивания очень ровное и спокойное. Однако через какое-то время начинаешь тосковать по присущей настоящему звуку чёткости, остроте и энергии. Так проявляет себя нехватка разреше­ния ВЧ и вялая атака — типичные следствия циф­ровой фильтрации.

Испытания ЦАП РСМ1794

Результаты вычитания токов будут получены позже, пока же рассмотрим осциллограммы. Здесь и далее кривая 1 — мультибитный ЦАП РСМ1704, кривая 2 — сигма — дельта ЦАП РСМ1794. Важно, что мультибитный ЦАП РСМ1704 включен без цифрового фильтра.

На рис.6 показан меандр частотой 1 кГц на вы­ходе каждого из этих двух ЦАП. Нетрудно видеть, что по причине цифровой фильтрации внутри РСМ1794 его переходной процесс носит колеба­тельный характер.imageПереходной процесс РСМ1704 так же слегка колебательный, но колебания есть только после завершения фронта, и обусловлены выходным аналоговым фильтром.

На рис.7 показана реакция обоих ЦАПов на дельта — импульс длительностью один отсчёт. Как видим, выходной импульс от сигма — дельта ЦАП как будто несколько шире, и с теми же колебани­ями, что и при подаче на его вход прямоугольно­го импульса. У многибитного ЦАП колебания есть только по спаду импульса, и они гораздо меньше.imageНа рис.8 показана реакция обоих ЦАПов на дельта импульс длительностью два отсчёта. В принципе ничего нового по сравнению с рис.7 нет, если не считать, что выбросы уменьшились по амплитуде.Реакция на два разнополярных дельта импуль­са длительностью один отсчёт, с паузой в один от­счёт показан на рис.9. Это уже интереснее, в сиг­нале сигма — дельта ЦАП между импульсами появились колебания нехарактерной для цифро­вого фильтра частоты, примерно 40 кГц. Что это такое, выяснить не удалось.На рис.10 показана реакция на два разнополярных дельта импульса длительностью один отсчёт, с паузой два отсчёта.Вот это очень интересно! Импульсы, чётко раздельные на мультибитнном ЦАП, в сигма-дельта ЦАП сливаются в сплошной звон!

Неудивительно, что эти ЦАП так по-разному звучат, если разницу видно даже невооружённым глазом!

На рис.11 показаны те же импульсы, сигма дельта ЦАП, шаг по горизонтали в два раза по­дробнее (50 мкс/деление).На рис.12 на вход мультибитного ЦАП подают­ся те же импульсы (один отсчёт, с паузой два от­счёта), в цепь включен цифровой фильтр (4x оверсэмплер) DF1706. С помощью оверсэмплинга мультибитный ЦАП стал очень похож на сигма-дельта ЦАП, только колебания имеют большую длительность, чем у сигма дельта ЦАП.Апсэмплинг, как видим, свёл на нет основное преимущество мультибитного ЦАП!

На рис.13 показана реакция на те же импуль­сы мультибитного ЦАП, асинхронный ресэмплинг 44 кГц в 48 кГц. Здесь всё очень плохо — форма дельта импульсов изменилась до неузнаваемости, и появилась явная асимметрия.Надо полагать, что любой асинхронный ресэмплинг до более высокой частоты (как это сде­лано, например, в таких изделиях как Burmester Musiccenter 111, или в Sabre — DAC ES9012, ES9018) будет обладать схожими «особенностя­ми», т.е. значительно искажать форму сигнала.

На рис.14 показан выходной сигнал мультибит­ного ЦАП, на входе те же импульсы, но без апсэмплинга. Он очень хорош.Приведенные осциллограммы наглядно де­монстрируют преимущества мультибитного ЦАП относительно передачи формы волны. Но только мультибитного ЦАП без цифрового фильтра.

Выходной ток сигма-дельта ЦАП

Однако, это ещё не всё. На рис.15 приведены ос­циллограммы выходного тока сигма-дельта ЦАП ти­па РСМ 1794. 1 канал — ток, 2 канал — выходной сигнал ЦАПа. Цена деления по вертикали — 0,8 мА/деление.

Из рис.15, при горизонтальной развертке 5 мс/деление, очень хорошо видно, насколько вы­ходной ток зашумлён высокочастотным «мусо­ром». Интересно, что вопреки ожиданиям, преоб­разование идёт на частоте всего 8Fx. На частоте 64Fx работает сигма дельта модулятор, который вносит небольшой «уточняющий довесок», а также всю «волосатость».На рис.16, при горизонтальной развертке 100 нс/деление, виден тот же мусор и глитчи. При этом темп переключения составляет 2,8 МГц (на хайрезе будет 6 МГц), плюс мгновенные скачки тока. И это нужно проинтегрировать с точностью 1 / 300000 !!! Мало кому это удаётся, и неудиви­тельно, что выходные сигналы различных музыкаль­ных сигма – дельта ЦАПов звучат очень по-разному.На рис.17, при горизонтальной развертке рас­тянутой до 10 нс/деление, виден тот же мусор и глит­чи. Виден также скачок тока около 1 мА (это очень много). При этом переходной процесс длится менее 2 нс! Сколько на самом деле понять сложно, по­скольку полоса используемого осциллографа со­ставляет «всего лишь» 200 МГц. Казалось бы, для ау­дио сигнала этого достаточно, как оказалось — нет.

Сравнение РСМ 1794 и РСМ 1704

Конечно, выходной сигнал РСМ 1704 имеет схожие особенности, однако его выходной ток со­ставляет 2 мА против 8 мА у РСМ 1794, а переклю­чения этого тока, порождающие дополнительные неточности, происходят с гораздо более низкой частотой. «Скачки» выходного тока РСМ 1704 со­ставляют целых 1-2 мА и требуют очень аккурат­ного построения выходного интегратора.

Только при использовании «правильного» инте­гратора звучание РСМ 1794 можно приблизить к звучанию мультибитного ЦАП. Тем не менее, муль­тибитный ЦАП всё равно выигрывает в ясности воспроизведения средне-высокой середины разрешения высоких звуковых частот.

Кому-то, однако, звук РСМ 1794 более симпати­чен своей энергетической плотностью и даже, где-то, слитностью. Тонкие моменты и «колкости» как будто подретушированы, а общее впечатление несколько «сладкое». Можно смело рекомендовать его для всех систем за исключением Ultra Hi-Fi.

Выводы

  1. Мультибитный ЦАП без цифровой фильтра­ции (Oversamling, Upsampling) более всего подхо­дит для неискажённой во времени передачи ауди­осигнала («по горизонтали»). Учитывая вполне достаточную с точки зрения слуха точность «по вертикали» наш выбор совершенно очевиден. Не будем, однако, забывать, что без применения оверсэмплера спектр обладает зеркальными от­носительно частоты дискретизации полосами. Поэтому звуковой усилитель должен обладать ультрамалыми интермодуляционными искажени­ями в области частот до 60-80 кГц.
  2. Мультибитный РСМ 1704 является ныне един­ственным серийно выпускаемым «честным» аудио ЦАПом, а его поведение совершенно предсказуемо.
  3. Производство сигма-дельта ЦАПов обходит­ся куда дешевле, т.к. не надо производить лазерную подгонку токозадающих элементов, как это неизбежно при производстве мультибитных ЦАП. В итоге производителям стало невыгодно произ­водить более дорогие мультибитные ЦАПы.

Заметность искажения звука

Обстоятельства, при которых слух человека на­чинает замечать искажения, весьма и весьма раз­нообразны. Ниже приведены выдержки из [1]:

«….Пороги слуховой чувствительности суще­ственно зависят от характера нелинейности: при появлении низших (второй, третьей) гармоник пороги слуха для тональных сигналов составляют 0,1%, для фортепианой музыки 1 …2%, для эс­традной музыки до 7%. Чувствительность слуха зависит от порядка гармоник: заметность гармо­нических искажений третьего порядка вдвое вы­ше, чем искажений второго порядка, заметность искажений от пятого порядка и выше в 6… 10 раз выше, чем второго. Именно этим объясняется странное явление, что в акустических системах, имеющих в основном нелинейные искажения низших порядков, пороговые значения составля­ют 1 …2%, в то же время в транзисторных усили­телях и цифровой аппаратуре, где возникают не­линейные искажения высоких порядков, уровни нелинейных искажений должны составлять сотые и тысячные доли процента, чтобы они были неза­метны для слуховой системы.

….По-видимому, какие-то различия во вре­менной структуре сигнала, которые до настояще­го времени еще четко не определены, являются значимыми для слуховой системы, и именно по ним она определяет живое звучание или отлича­ет одну акустическую систему от другой. Способ­ность различать тонкую, быстро изменяющуюся временную структуру звукового сигнала под­тверждается удивительно точным анализом и рас­познаванием речи, когда в непрерывном времен­ном потоке распознается специфическая структура различных фонем».

Литература

  1. Алдошина И. А. Основы психоакустики — М. Радио и связь. 1988 г.

Автор: Валерий Сергеев, г. Киев

Источник: Радиоаматор № 6,  2015

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Citilink-kabinet.ru
Добавить комментарий