Какой звуковой ЦАП лучше?

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

Споры 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).

 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).

На рис.3 показана профильтрованная цифро­вым ФНЧ осциллографа формы на выходе CS4398 (кривая 1) и отфильтрованная тем же способом ошибка (кривая 2).Отметим, 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. А на рис.5 вид­но, что он имеет почти симметричный сигнал ошибки (на рис.5 кривая 1 — осциллографа фор­мы на выходе, кривая 2 — ошибка).ЦАП 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.Переходной 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.На 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