xmos что это такое
Народные транспорты или XMOS XU208 (2018), Amanero, CM6631a
Устойчивая тенденция появления в трактах аудиофилов современного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП/DAC) автоматически ставит новые задачи. Как подать чистую цифру на ЦАП, какие компоненты использовать для этого?
Врятли я ошибусь предположив, что многие для этих целей используют обычные недостаточно качественные СД или ДВД проигрыватели, кто-то сразу подключает ЦАП по USB к компьютеру.
Во всех случаях есть подводные камни. Отчаянные головы покупают внешний высококлассный транспорт, но мы сегодня поговорим о значительно более доступных решениях, предлагающих лучшее соотношение цена/звучание.
Вы возможно не сталкивались с этой сферой аудио, но цифровые транспорты очень сильно влияют на качество звучания и итоговое музыкальное разрешение, и тем более, влияют на характер звучания.
Теоретики безусловно докажут что если единица вышла, то она же и пришла, и цифра это цифра, и не надо пороть чушь.
Но, уважаемые теоретики, ваши мыслеизъявления так же далеки от реальности, как и выводы. Начнем с того, что в электрической схеме не передается не единицы не нуля. Есть стандарты логики, которых придерживаются при разработке устройства — TTL или CMOS. Т.е. в TTL например 0 или 1 дана — это определяется значением напряжения в следующих пределах:
0 — напряжение от 0 до 0,5 вольт
1 — напряжение от 2,7 до 5 вольт.
У CMOS другие значения. Из этого следует, что только в высокоточной и не дешевой схеме, где никогда никуда не уплывут параметры можно однозначно интерпретировать единицу и ноль. И это только один аспект, который влияет на результат — а в конструкции он не один, включая и качество тактовых генераторов для разных частот и прочее.
Из этого следует, что недоргой СД/DVD проигрыватель априори не будет обладать хорошим транспортом для цифры — с вероятностью 99% там будет стоять только один генератор, которые остальные нужные значения будет интерпретировать из гармоник и тд.
Так же качество передачи цифры ощутимо зависит от самого чипа трансивера, который осуществляет эту операцию. Эти чипы все еще обладают довольно большим джитером, например CS8412 имеет джитер около 200 пкс, а Wollfson wm8805 или CM6631a — 50 пкс.
Конечно же в недорогой или в не последних лет выпуска изделии будет или совсем примитивный чип или сильно устаревший по качественным показателям.
Второй момент, такой чип в старом СД-проигрывателе с очень большой вероятностью не станет поддерживать частоты выше 44,1/48 кГц 16 бит со всеми вытекающими.
Из этой дилеммы приходим к следующему выводу, так как сд-транспорт не обладает в полной мере способностями, которые раскроют все возможности ЦАП, а специализированный высококлассный транспорт имеет значительную стоимость, что выбрать нужно из двух вариантов, но оба нам не подходят.
Поэтому забываем о таком раскладе и бросим взгляд в современный мир и новейшие достижения.
На рынке, особенно китайском, предлагаются новейший чипы или решения для цифры — CM6631a, Amanero, XMOS.
В любом случае эти цены несравнимо ниже других решений и обладают высоким качеством передачи цифры. При выборе удачной схемы модели вы получаете транспорт с 3 высокоточными тактовыми генераторами и новейшими чипами для передачи цифры.
В моих руках и соответственно сетапе побывали три подобных транспорта.
1. Внешняя плата на CM6631a — вход USB, выход Coaxial и Optical, не требует внешнего питания. Три тактовых генератора, гальваническая развязка.
Это решение обладает крайне высоким музыкальным разрешением, очень приличный вариант для многих сетапов, особенно до топового или предтопового уровня. Я его использовал с топовыми усилителями. Отличная микродинамика, очень четкие, точные образы. Лучший звук по коаксиалу, а не оптике.
2. Amanero — китайский клон, вход USB, выход — только Coaxial, не требует внешнего питания (но предусмотрено), три тактовых генератора, гальваническая развязка.
Эта плата — аудиофильский рай, я бы сказал, по соотношению цена/звучание. По сравнению с CM6631a музыкальное разрешение чуть ниже (CM6631a более острый в звуке, более точный), но звук дурманит такой дикой харизмой, музыкальность, гитары поют, колокольчики звенят, воздух в помещении с музыкантами дышит…
3. XMOS XU208, вход USB, выход — только Coaxial, внешнего питания не требует, но предусмотрено. Гальваническая развяка, три тактовых генератора, малошумные компоненты и тд. Есть выход DSD, но только на I2S, что вероятно осуществимо лишь в очень ограниченном числе внешних ЦАП.
Насколько я понимаю транспорт построен на чипе серии XCore-200, это чип 2018 года, в нем 8 логических 32-битных процессоров реального времени! Одно ядро дает быстродействие до 500 MIPS, следовательно 8 ядер — это 4000 MIPS. И так далее, подробнее о чипе можно почитать даташит по ссылке.
Мой экземпляр XMOS XU208
Безусловно, возлагал большие надежды на прослушивание этого транспорта — XU208 — потенциал теретически большой.
Слушал XU208 сначала на Yamaha P2200, позже на Parasound A23. На Yamaha P2200 сперва мне даже показалось, что XU208 лучше, чем Amanero, как бы чище, как в стерильной палате, но в течении получаса прослушивания разных композиций стало ясно, что такое ощущение звука из чистого вакуума возникает от того, что XMOS XU208 не стесняется кушать тихие нюансы. Если что-то на записи очень тихо, то на Amanero эти звуки будут отчетливы, хоть и тихи, а на XMOS XU208 от них останется лишь тень, что-то было, но почти незаметно. Да, может быть и так, что XMOS XU208 расставляет акценты на звучание в иных местах, поэтому так.
Когда позже я включил XMOS XU208 на Parasound A23, то этот усилитель очень хорош, но не столь высокого класса, как Yamaha P2200 и результатом явилось, что я услышал звучание через транспот XU208 явно упрощенное, чем оно есть на самом деле. Переключение на Amanero сразу и явно давало это понять.
Итого, звучание XMOS XU208 очень чистое, качественное, но если выбирать между ним и Amanero, то я отдаю явное предпочтение Amanero за ее «музыкальность». Вы возможно заметили, как я как то типа тактично избегал в сравнение добавить транспорт CM6631a. Вовсе нет. Просто CM6631a у меня сейчас в тракте нет и я могу судить только по прошлым впечатлениям о ней (которые хорошие), а Amanero (China) и XMOS XU208 я столкнул лоб в лоб. Когда же у меня была на руках CM6631a, то я совсем не стеснялся слушать ее наряду с Аманерой, так как музыкальное разрешение на CM6631a выше, и это было явным преимуществом для, например акустических колонок не обладающих топовым разрешением, например Onkyo D-77FRX. И кроме того все три транспорта имеют разный характер звучания. CM6631a более острый, Amanero более воздушный, протяжный, а XMOS XU208 вуалирующий второстепенные детали, но показывающий остальные максимально точно.
От себя могу добавить, что все три транспорта хороши, это высокий уровень, но всегда кто-то получше, кто-то похуже.
Но что-бы не разводить беспочвенную демагогию и дать возможность решать и выбирать вам самим, я сделал аудиозапись на стереорекордер ZOOM H1 в тракте Parasound A23 + Diatone DS-77Z + Inntak Sabre ES9018 + 2x Muses8920 +2x AD797 + 2x R-Core.
Запись велась с расстояния 2,5 метров от АС в акустически обработанном помещении. Смотрим, точнее слушаем.
ВИДЕО
#63 Качественный источник звука в машине. Продолжение.
Приветствую всей любителей звука в автомобиле!
Следующие три составляющие качественного цифрового источника звука в машине, это:
4. Качественный USB-хаб с внешним питанием (7 портов и выше).
5. Качественный блок питания (DC-DC преобразователь с гальваноразвязкой) 5V и 12V для питания периферии.
6. USB-SPDIF конвертер.
Думаю многие понимают, что в CarPC большинство подключений периферии будет происходить по USB, следовательно, понадобится множество портов USB 3.0.
Увы, но USB 2.0 сильно устарел и уже не обеспечивает нужных скоростей передачи информации. Постараюсь очень кратко перечислить периферийные устройства, которые рано или поздно понадобится подключить к СarPC:
— транспорт USB-SPDIF;
— тач панель;
— блок питания DCDC-USB-200;
— блютус;
— Wi-Fi приёмник;
— датчик GPS;
— мышь;
— клавиатура;
— SSD;
— HDD USB или флешка (думаю что одного SSD всё равно будет мало, нужно как минимум пару гнезд);
— сам хаб USB 3.0
Как видно, 11 портов это минимум. При том, что я не считал камеру заднего вида, фронтальную камеру и камеру видеорегистратора. Ими обычно оснащают свои системы карписишники. У меня камера заднего вида есть и она подключена напрямую к контроллеру монитора. Активируется она при включении заднего хода (по сигналу от фонаря заднего хода). Подключение же фронтальной камеры и камеры видеорегистратора к CarPC считаю игрушкой, мне это не нужно.
В моем NUC-е имеется 4 порта USB 3.0, этого мало. Поэтому как минимум нужен ещё 7-и портовый хаб с отдельным питанием 5V.
С USB хабами не всё так просто. Во первых, большинство из них толком не работают. Во вторых, многие режут скорость при подключении большого количества USB устройств. Чаще всего на рынке встречаются USB хабы построенные на чипах VIA Labs, Inc VL812/813/817, чипах от Genesis Logic GL3520/3523/3590, а также чипах от Realtec RTS5411.
Для наших целей (USB Audio) имеет большое значение на каком чипе построен хаб. VIA считаются более шумными, Genesis Logic менее шумными, Realtec RTS хз, не пробовал. Различные варианты промышленных хабов я не рассматриваю.
Для CarPC важно, чтобы чип USB хаба поддерживал режим MTT (когда не режется скорость портов при большом количестве подключенных устройств). Желательно иметь хаб с внешним питанием 12V и это питание придётся коммутировать при запуске.
Вполне неплохие хабы от ORICO.
Плавно переходя к пункту 5 о необходимости качественного блока питания для USB хаба думаю понятно, что в зависимости от питающего напряжения, на котором работает активный хаб нам понадобится блок питания на 5V или на 12V. Если не морочиться с заказными изделиями, то тут хорошо подойдут DC-DC преобразователи на фиксированное напряжение. Отличные преобразователи делает MEAN WELL и Aimtec.
Я пока склоняюсь к заказному изделию, выполненному на основе заводского, но доработанного по питанию м/с чипа и портов. Думаю об этом будет отдельный пост впоследствии.
Теперь о самом главном, о конвертере USB Audio — SPDIF.
В моем случае, этот конвертер нужен, так как в моем процессоре Alpine PXA-H900J есть только три оптических входа и один коаксиальный (сдвоенный с первым оптическим входом под ГУ Alpine). Входа под шину I2S нет. Соответственно встроенного в процессор конвертера (транспорта) USB — I2S тоже нет, в отличие от процессоров Helix (где доступен опциональный модуль — HEC) или RESOLUT (где также можно установить опциональный модуль).
На фото оригинальный модуль итальянской AMANERO, кроме этого на всем известных сайтах можно встретить её клоны в разном исполнении от китайских производителей. Имеются и клоны сделанные русскими умельцами. Качество звучания на мой взгляд самое лучшее и определяется качество разводки платы, применяемыми генераторами и прошивкой. На китайских платах стоят дешёвые безымянные генераторы, качество заметно хуже.
Встречаются и более дорогие версии с генераторами получше.
У большинства из них выход — шина I2S. Они устанавливаются в домашние ЦАПы.
Встречаются и более продвинутые варианты с дополнительной платой, на которой собран преобразователь в SPDIF сигнал (двухэтажные).
Есть и варианты, где всё размещено на одной плате (такие встречаются реже).
Как видим хорошие платы требуют отдельного питания +5V.
2. Платы на XMOS.
В этих платах используется чип XU208.
По звуку отличаются от звучания плат Amanero. В отличие от Amanero имеется возможность вывода многоканального звука, т.е. не 2 канала, а например 8. Большого опыта в отличие от Аманеро с XMOS у меня нет. Поэтому временно, пока у меня процессор Alpine PXA-H900J я решил попробовать в качестве транспорта или преобразователя USB Audio-SPDIF плату на XMOS. Такую…
У этой платы имеется три выхода: шина I2S, SPDIF (коаксиальный) и SPDIF (оптический). Когда в машине будет не нужна, пойдёт в домашку… Универсальная плата.
Небольшое, но очень важное замечание! Неважно на каком чипе Вы используете плату, важно чтобы на ней было установлено три качественных генератора. Два из них обычно используются для создания сеток частот 44.1/48 кГц (стандарты компакт диска и ДВД диска). А третий (12 или 24 МГц) используется для работы самого USB.
Также замечу, что чип XU208 уже устарел и появились изделия на базе нового чипа XU216, который в 2 раза более производительный, чем XU208.
Выполнен на чипе CM6631A и это похуже, чем XMOS и тем более хуже Amanero. Всё ИМХО. Эти платы также существуют во множестве модификаций.
Все указанные выше платы можно или купить уже в корпусе, или приобрести корпус дополнительно в качестве опции.
Кого интересует выбор преобразователей USB-SPDIF, советую посмотреть видео по ссылке. Очень доступно изложено и не только про транспорты, но и про «цифру в аудио».
Рано или поздно я планирую сменить процессор на другой, со встроенным транспортом на базе XMOS. Или же купить процессор, куда плату преобразователя можно установить в качестве опции. У меня имеется плата процессора на базе nanoSHARK-а. Там чип XMOS XU208 встроен в сам процессор и соответственно данный конвертер не понадобится.
Несмотря на то, что все три преобразователя допускают вывод звука в формате 32bit с высокими частотами дискретизации (по шине I2S), SPDIF формат ограничен форматом вывода PCM сигнала 24bit 192 кГц. А у моего процессора, по моему частота дискретизации ограничена вообще на 96 кГц 24bit. Поэтому, вывод звука в ASIO скорее всего будет невозможен и придётся переключаться в WASAPI и ограничивать длину слова в 24bit. Пока в машине опробовать все режимы не удалось.
Из этого следует, что при использовании CarPC, преимущество будет иметь процессор на чипах AKM или ESS, которые работают с форматом 32bit и высокими частотами дискретизации и имеют встроенную или установленную дополнительно плату USB транспорта работающую по шине I2S.
Как видим и USB хаб и USB-SPDIF конвертер требуют качественного внешнего питания 5V/12V и тут напрашивается применение какого-то комплексного решения, чтобы не городить кучу преобразователей и чтобы включением этого всего можно было удобно управлять в автоматическом режиме…
В следующей части останется рассказать о программном обеспечении…
Продолжение следует…
Не пустой звук. Как собрать собственный цифроаналоговый преобразователь
Содержание статьи
Однозначно правильного способа сборки цифроаналоговых преобразователей не существует, потому что нет общей парадигмы. Есть только наборы: подходов, методов, школ и философий — и все это, по сути, наборы стереотипов.
Я расскажу о своем личном опыте, но опишу лишь основные моменты. Я не буду касаться реализации питания, усилителей, акустики и так далее — это уже дело вкуса.
Если захочешь повторить эксперименты, обрати внимание на предупреждение.
WARNING
Автор и редакция не дают никаких гарантий и не несут ответственности за любой вред, причиненный во время попыток повторить описанное в статье. Все, что ты делаешь, ты делаешь на свой страх и риск! Хотя все схемы проверялись на практике, они намеренно упрощены и представляют собой пример для объяснения принципа работы, а не законченное изделие.
PCM DAC (ИКМ ЦАП)
Обычно звуковой тракт можно разделить на три части:
Источник
В качестве источника может выступать компьютер, планшет, телефон или микрокомпьютер вроде Raspberry Pi. В отдельных случаях источник и конвертер могут быть выполнены в одном устройстве — это проигрыватели с выходом I2S или микрокомпьютеры.
I2S-преобразователь (конвертер)
Преобразователи I2S могут подключаться к источнику с помощью разных интерфейсов: USB, S/PDIF, LAN. Есть еще вариации с Bluetooth, но нас они не интересуют, потому что высокого качества в такой системе не добиться. Скорость передачи данных Bluetooth очень мала, о Hi-Res (192 × 24, DSD) можно забыть сразу. Но даже при прослушивании MP3 (44,1 × 16), цифровой поток проходит через несколько цифровых фильтров, к тому же с обрезкой частоты звукового сигнала.
Кстати говоря, то же относится и к блютусным наушникам. Дело ухудшается тем, что в наушниках из-за малого размера сложно разместить полноценный ЦАП и питание к нему, поэтому, как правило, используют «урезанные» версии.
Самый распространенный вариант преобразователей I2S — конвертеры USB — I2S.
Все просто: подключаем к порту USB источника, устанавливаем драйвер и при проигрывании на выходе I2S получаем поток данных PCM или DSD. В операционной системе конвертер определяется как звуковое устройство или звуковая карта. Предложений конвертеров USB — I2S огромное количество, те же AliExpress или eBay выдадут вам десятки вариантов по запросу usb to i2s.
S/PDIF
Множество коммерческих — проприетарных — ЦАП подключаются через разъем S/PDIF.
Не так давно S/PDIF был популярным интерфейсом и встречался почти в каждой звуковой карте, даже в самых дешевых, встроенных в материнские платы ПК. Но не все знают, что почти всегда S/PDIF — это промежуточное звено и используется чаще в роли транспорта. Либо у источника, либо у ЦАП в большинстве случаев S/PDIF подключен через I2S. Другими словами, сигнал передается не напрямую, а вначале конвертируется из I2S в S/PDIF, а потом обратно.
Не берусь называть конкретные цифры, но считается, что потери при конвертации и передаче имеются. Кроме того, у S/PDIF есть и другие недостатки — скорость передачи и стоимость. Самые дешевые DIY-устройства USB to S/PDIF стоят около 4000 рублей, а передавать по ним возможно максимум PCM 192 × 24 или DSD64 через DOP.
Таким образом, использовать S/PDIF нецелесообразно, если есть другие варианты.
Теперь рассмотрим подключение I2S-конвертера по LAN (локальной сети). Для этого используются специальные программные плееры: Squeezelite, HQPlayer, Roon и другие. Они устанавливаются на основной компьютер, который выступает в роли передатчика (источника). При воспроизведении выполняется распаковка, декодирование и, если требуется, обработка цифрового потока. Далее цифровой аудиопоток через определенный сетевой протокол передается на приемник — чаще всего микрокомпьютер. Далее микрокомпьютер либо сам конвертирует полученный поток в I2S, либо передает поток на конвертер, подключенный к нему по USB. Существуют и самодельные решения, основанные, например, на микрокомпьютерах BeagleBone black или Raspberry Pi, и серийные решения различных производителей.
Часто встречаются устройства, которые объединяют в себе одновременно источник и конвертер, конвертер и ЦАП или сразу все в одном устройстве.
I2S ЦАП
Цифроаналоговых преобразователей с входом I2S огромное количество. Мы не будем рассматривать полностью собранные серийные ЦАП; нас больше интересуют самоделки. Самый простой и дешевый способ послушать тот или иной ЦАП — купить готовую самодельную плату с ЦАП. Можно поискать ЦАП без питания и предусиления, если захочешь допилить самостоятельно. Для первого раза можно взять что-нибудь простенькое и дешевое, как плата на чипе PCM5102A на фото.
Самодельная плата на чипе PCM5102A компании Texas Instruments
Xakep #257. Pivoting
В качестве конвертера в моем случае будет Amanero компании Amanero Technologies.
Все необходимое для PCM5102A можно подать прямо с конвертера: питание — VIN соединить с контактом 3,3 В, землю GNG c землей конвертера GND, LCK c контактом FSCLK конвертера, DIN c DATA, BCK c BCLK. А вот SCK и MCLK в PCM5102A соединять не обязательно, он сможет работать и без дополнительной синхронизации. Но для повышения точности, если есть такая возможность, MCLK лучше все же подключать. Аналогичным образом этот ЦАП можно подсоединить и к Raspberry Pi.
Как видишь, все просто и специальных знаний не требуется! Подобным образом к I2S можно подключить и другие цифроаналоговые преобразователи. Для воспроизведения через USB подойдут практически любые плееры. На Raspberry Pi новичкам можно посоветовать Volumio, а более продвинутым слушателям сборку с Album Player.
Для начинающих этой информации хватит, особенно для первого раза. Для тех же, кто не боится трудностей, продолжу повествование, уровень сложности будет возрастать.
DSD ЦАП
Изучим на практике способы передачи и воспроизведения DSD.
Обычно поток данных DSD в самодельных устройствах передается от источника к цифроаналоговому преобразователю через I2S-конвертер. Далеко не все конвертеры поддерживают DSD, поэтому перед покупкой обязательно нужно удостовериться, что в спецификациях указана поддержка DSD. Самые дешевые конвертеры USB to I2S с поддержкой DSD — это преобразователи Amanero или их копии, а также конвертеры с применением процессоров XMOS.
Нужно учесть, что не все плееры поддерживают воспроизведение DSD и не все драйверы в состоянии передать чистый DSD (DSD native), даже если плеер на это способен. Ограничение драйвера можно преодолеть, используя DOP (DSD over PCM), соответственно, плеер тоже должен иметь возможность преобразования DSD в DOP.
В случае Amanero и XMOS поток DSD передается к ЦАП по тем же выходам I2S: DATA передает данные правого канала, LRCK — данные левого, а BCLK — битовую синхронизацию этих данных.
Воспроизвести поток DSD можно разными способами, стоит выделить три:
Проприетарный ЦАП
Большинство коммерческих ЦАП, которые поддерживают воспроизведение DSD, принимают и PCM, и DSD через один и тот же разъем I2S. В этом случае достаточно подключить контакты конвертера и ЦАП способом, описанным выше, и переключение между PCM и DSD будет работать автоматически. Бывают отдельные входы для DSD, но это реализовано для раздельного подключения устройств, использовать их в большинстве случаев не обязательно.
Воспроизведение через ФНЧ
Этот способ подкупает своей простотой и, кстати, неплохим звучанием. Суть его, как понятно из названия, заключается в воспроизведении DSD напрямую через фильтр нижних частот, без использования какого-либо цифроаналогового преобразователя. Когда я узнал об этом способе впервые, отнесся скептически, но оказалось, что звучит такой вариант лучше, чем все ЦАП, которые я слушал до этого. Не хочу никого убеждать, но сам я теперь вряд ли вернусь к проприетарным цифроаналоговым преобразователям.
Единственная проблема: контента, доступного в DSD, значительно меньше, чем в Audio CD. Но тут нас спасет конвертация PCM в DSD — она может выполняться как заранее, перед прослушиванием, так и в реальном времени. Делать это можно на ПК или мобильных девайсах с iOS и Android, а в качестве передатчика будет выступать I2S-конвертер.
Принцип работы
В формате DSD используется плотностно-импульсная модуляция, на выходе I2S рядом стоящие положительные импульсы (логические единицы) складываются в один продолжительный по времени импульс, и напряжение растет. Отсутствие положительных импульсов приводит к падению напряжения.
Поток логических единиц и нулей последовательный, так что, если подключить выход одного из каналов DSD к фильтру нижних частот и убрать постоянную составляющую, можно получить модулированный сигнал, который, в свою очередь, можно подать на вход усилителя. Подобным образом преобразовывали цифровой поток в аналоговый сигнал однобитные сигма-дельта-цифроаналоговые преобразователи.
Выбор фильтра
В качестве фильтра нижних частот может выступать простая RС- или RL-цепь, а для удаления постоянной составляющей сигнала достаточно обычного конденсатора.
Рассчитать такие фильтры просто. RC (сопротивление, емкость) рассчитывается по формуле fc = 1/2πRC, RL (сопротивление, индуктивность) — по формуле fc = R/2πL, где fc — частота среза фильтра, ее лучше выбирать в диапазоне от 25 до 50 кГц.
Для удобства можно использовать онлайновый калькулятор.
Емкость конденсатора (на схеме справа) для удаления постоянной составляющей рассчитывается как RC ФВЧ — фильтр верхних частот.
По формуле fc = 1/2πRC, где в качестве сопротивления выступает переменный резистор на входе усилителя (предусилителя). Соответственно, R будет равно номинальному сопротивлению этого резистора. Емкость конденсатора нужно выбрать такую, чтобы частота среза не превышала 30 Гц. Можно также воспользоваться специальным калькулятором.
Важный момент: для нормального воспроизведения необходим фильтр с хорошей крутизной среза, иначе высокочастотные составляющие сигнала могут привести к интермодуляционным искажениям и перегрузке усилителя (предусилителя). Для увеличения крутизны среза используют фильтры нескольких порядков.
Выбор порядка фильтра и частоты среза будет во многом зависеть от усилителя (предусилителя). Например, для многих транзисторных усилителей ФНЧ первого порядка будет недостаточно, и это приведет к шумам и искажениям. А для ламповых усилителей ФНЧ первого порядка может быть вполне достаточно.
В выборе фильтра важно, как усилитель реагирует на высокие частоты. Определить это можно, меняя порядок фильтра и частоту среза. Необходимо будет искать компромисс между «звучанием» и уровнем искажений. При срезе ФНЧ ниже 20 кГц сильно ухудшается качество звучания, при слишком высоком срезе может появиться шум или эффекты перегрузки. На каких-то усилителях достаточно будет фильтра первого порядка и частоты среза в 40–50 кГц, а на других придется использовать ФНЧ второго-третьего порядка и понижать частоту среза до 25 кГц. Чем ниже частота среза ФНЧ, тем больше влияния на сигнал он оказывает, потому что уровень сигнала падает постепенно, затрагивая и другие частоты еще до выбранной частоты среза. Подробнее можно прочитать в работе по ФНЧ.
DIY ЦАП
Наконец мы добрались до собственноручной сборки ЦАП с минимальными затратами. Концепции будут расположены от самого простого варианта к более сложному.
Предусиление
При прослушивании через ФНЧ может понадобиться усилить низкий уровень громкости. Если усилитель недостаточно мощный или ты хочешь слушать музыку через наушники без подключения к усилителю, тебе понадобится предусилитель. Посмотрим, какие бывают варианты.
Стационарный вариант
Для стационарного варианта лучше всего себя зарекомендовали повышающие входные трансформаторы, например такой, как на фото.
Они увеличивают напряжение сигнала примерно в четыре раза, их можно подключить к балансному входу-выходу, диапазон воспроизводимых частот 20 Гц — 20 кГц. Стоимость примерно 2000 рублей за пару; это одни из самых дешевых трансформаторов, но свою задачу они выполняют.
У способа усиления с помощью трансформаторов, конечно, есть и недостатки.
Во-первых, цена: эти трансформаторы дешевые, но, если ты захочешь более качественный вариант, он может обойтись уже в десятки раз дороже.
Во-вторых, трансформаторы усиливают лишь напряжение, поэтому сами по себе их использовать нельзя, только в связке с усилителем.
Для использования необходимо убрать постоянную составляющую, для этого на вход трансформатора нужно последовательно подключить конденсатор. Причем конденсатор должен быть большой емкости, поскольку именно конденсатор и входное сопротивление трансформатора формируют фильтр высоких частот.
Для расчета емкости конденсатора нужно взять сопротивление трансформатора, в данном случае 600 Ом, и подставить в формулу fc = 1/2πRC; частоту среза следует выбирать минимальную. Я использовал конденсаторы на 22 мкФ, частота среза получилась около 12 Гц.
Старайся использовать качественные конденсаторы с низким значением ESR. Дело в том, что они могут оказать сильное влияние на сигнал, а ведь он будет проходить напрямую через них.
Еще нужно будет использовать ФНЧ, чтобы убрать высокочастотный шум. Здесь должно хватить фильтра первого порядка. Трансформаторы имеют определенную полосу пропускания, и при совместном использовании с ФНЧ увеличивается крутизна среза. С трансформатором логичнее всего использовать RL-фильтр (сопротивление, индуктивность), в котором в качестве сопротивления R будет выступать входное сопротивление трансформатора, а в качестве индуктивности — катушка индуктивности, в данном случае 2,2–2,7 мГн (миллигенри).
Индуктивный фильтр можно рассчитать калькулятором.
Такой способ предусиления хорошо подходит для стационарного использования, но носить с собой трансформаторы и усилитель, пусть даже небольшого размера, вряд ли кому-то захочется. Давай рассмотрим, как можно собрать переносное устройство, которое легко поместится в карман.
Портативный вариант
Для портативного варианта лучше всего подойдет предусилитель на микросхеме с однополярным питанием не более 5 В. Чтобы пойти по пути наименьшего сопротивления, в прямом и переносном смысле, хорошо бы собрать все в одном: активный ФНЧ и предусилитель на операционном усилителе. Подобрать и рассчитать такой фильтр можно и вручную, но проще всего использовать онлайн-приложения для расчетов, например Analog Filter Wizard компании Analog Devices или Filter Design Tool, предоставленный компанией Texas Instruments. Веб-приложения просты в обращении, тебе нужно указать следующие параметры:
Исходя из характеристик, выбирай микросхему, для которой будут производиться расчеты. Готово!
Я использовал Analog Filter Wizard, и у меня получилась следующая схема.
Спецификации
Если ты не любишь паять или не разбираешься в электротехнике, можешь купить готовый предусилитель с фильтром, например на AliExpress.
Но придется потратиться: таких фильтров нужно две штуки, по одной на канал. Или можно купить вариант на два канала.
Он рассчитан на балансное подключение, при котором каждый канал передается отдельно по трехпроводной схеме: по одному проводу передается основной сигнал, по второму проводу этот же сигнал в противофазе, а третий провод — это земля. Поэтому подключать напрямую — не лучшая идея. Но можно получить сигнал в противофазе, инвертируя выход DSD при помощи операционного усилителя, либо триггера Шмитта, либо логического инвертора.
Важно получить два идентичных сигнала в противофазе. Даже малейшие различия будут оказывать значительное влияние на выходной сигнал.
При выборе элементов обязательно нужно обратить внимание на то, с какой частотой они могут работать, потому что частота потока DSD может варьироваться от 2822,4 до 24 576 кГц. Также настоятельно рекомендую использовать гальваническую развязку.
Так реализуется подключение по балансной схеме. В интернете можно найти и другие варианты готовых фильтров-предусилителей.
Сборка портативного варианта
Если ты не ищешь легких путей, давай перейдем к сборке.
Железо
В качестве I2S-конвертера можно использовать следующие платы.
В качестве фильтра и предусилителя используем AD8656 — операционный усилитель.
Также понадобятся расходники — резисторы и конденсаторы, указанные в схеме подключения.
В идеале для контактов FSCLK и DATA нужно использовать гальваническую развязку. Развязку ищи с запасом по скорости передачи данных — от 25 Мбит/с, а напряжение питания развязки выбирай в диапазоне 2,7–5,5 В. Для питания операционного усилителя лучше всего использовать отдельный малошумящий стабилизатор напряжения. На входе можно добавить сопротивление для ограничения уровня сигнала, а на выход добавить ФНЧ. Вот и все!
Получившееся устройство не занимает много места, и его можно подключить через OTG к телефону или планшету.
Драйверы для Windows для Amanero и китайской реплики (ATSAM3U1C XC2C64A) можно скачать с сайта Amanero. В Linux и Android драйверы не нужны, на iOS, вероятно, тоже.
Для мобильных устройств существуют десятки плееров с поддержкой Hi-Res PCM. Однако через фильтр можно слушать только DSD, поэтому необходима конвертация PCM в DSD. К счастью, есть плеер, который конвертирует в реальном времени, — Onkyo HF Player. Этот плеер из MP3 и FLAC может конвертировать в DSD64 и 128. При помощи Onkyo HF Player ты можешь слушать практически любую музыку через простой ФНЧ. Жаль, конечно, что плеер не бесплатен: для Android он стоит 699, а для iOS — 749 рублей.
Воспроизведение DSD через ФНЧ выигрывает по сравнению с классическим способом воспроизведения через ЦАП.
Во-первых, звук получается гораздо лучше, чем на многих ЦАП.
Почему так? Основная составная часть дельта-сигма-ЦАП — это цифровая обработка сигнала. Представь сложный цифровой фильтр с многократным оверсемплингом, модулятором 5–7-го порядка с dithering или noise shaping. Тут требуется серьезная вычислительная мощность, которая в ЦАП ограничена, тогда как в современных процессорах для смартфонов она в разы больше. Соответственно, на смартфоне можно реализовать более качественную цифровую фильтрацию и модуляцию.
Почему производители не добавляют мощные процессоры в ЦАП — загадка! Может, экономят, а может, считают, что обработкой должно заниматься отдельное устройство. Например, Asahi Kasei Microdevices (AKM) выпускают отдельно DSP, которые занимаются конвертацией, в том числе c оверсемплингом, — и отдельно ЦАП с режимом bypass.
Чтобы освежить в памяти термины и теорию, смотри мою прошлую статью о цифровом звуке.
Во-вторых, воспроизведение DSD через ФНЧ существенно экономит деньги, ведь стоимость хорошего ЦАП, даже китайского, будет гораздо выше.
Итого
Плюсы
Минусы
Сборка стационарного варианта
Этот вариант будет гораздо сложнее в реализации, но оно того стоит.
Железо
Наилучший результат даст использование BeagleBone black или BeagleBone green в качестве I2S-конвертера.
BeagleBone — единственный микрокомпьютер, для которого есть открытый драйвер с поддержкой подключения внешнего генератора тактовой частоты. К внешнему генератору можно подключить как сам конвертер, так и ЦАП, если он есть. Это позволит снизить количество ошибок при передаче данных по I2S. А еще мы можем сами выбирать, какого качества и какой частоты генератор использовать.
ЦАП для прослушивания DSD в этом варианте не требуется. Но важно подключение качественных генераторов 45 158,4 и 49 152 кГц при воспроизведении DSD 256, 512, потому что частота однобитного сигнала будет очень высокой — 11 289,6 и 22 579,2 кГц соответственно. Частота тактового генератора MCLK должна быть хотя бы вдвое больше частоты передаваемых данных, иначе могут возникнуть ошибки при передаче.
Внешний клок
Первое, что тебе потребуется, — внешний генератор тактовой частоты, в простонародье «клок». У тебя, как обычно, два пути: если ты дружишь с паяльником, можешь собрать его самостоятельно, если нет — купить готовое решение.
У Павла Погодина есть проект DSC — ЦАП под открытой лицензией. На сайте выложена документация к ЦАП Павла, там же ты найдешь схему реклокера для BeagleBone. В этой схеме реализовано подключение внешних клоков и автоматическое переключение их под частотные сетки 44,1/48. Можешь взять ее за основу и собрать нечто похожее.
Эта плата разработана для воспроизведения как PCM, так и DSD, но если тебя, как и меня, интересует исключительно воспроизведение DSD, то можно обойтись только следующей частью схемы.
Все названия элементов и номиналы указаны в документации (PDF).
И конечно, самый простой, но затратный способ — купить готовые генераторы.
Самые дешевые из более-менее приемлемых генераторов выглядят так
Чтобы генератор автоматически переключался под частотные сетки 44,1/48, придется все-таки взять в руки паяльник и распаять селектор U7 (74AUP2G157) указанный на схеме выше, — иначе генераторы надо будет переключать вручную. Например, для прослушивания CDDA, MP3 и DSD потребуется только генератор 45 158,4 кГц, но, если ты захочешь слушать «винилрипы» с частотой дискретизации 96 и 192 кГц, понадобится уже генератор 49 152 кГц.
После подключения генератора к BeagleBone black (контакт P9_25 ) останется только вывести два канала DSD (контакты P9_30, P9_41 ).
Номера контактов указаны для дистрибутива mini Botic7 (архив), собранного Павлом Погодиным. К контактам DSD1 и DSD2 нужно подключить фильтр, и устройство будет готово к работе.
Теперь поговорим о программной части. Начнем с драйвера.
Для BeagleBone black/green существует открытый драйвер, написанный участником форума diyaudio.com под ником Miero.
В нашем случае менять ничего не придется. Нужно только скачать прошивку для BeagleBone black (архив), в ней уже имеется этот драйвер. Скачанную прошивку записываем на карту microSD при помощи, например, программы dd в Linux или Rufus в Windows. Затем вставляем карту в разъем на микрокомпьютере, зажимаем кнопку рядом с этим разъемом и подключаем питание. Через несколько секунд кнопку можно отпускать. Плата должна начать загрузку, весело мигая светодиодами.
По умолчанию будет загружен профиль с клиентом для HQPlayer, именно он нам и нужен. Также прошивку можно скопировать во внутреннюю память BeagleBone black, инструкции есть на сайте Павла Погодина.
HQPlayer — лучший вариант для воспроизведения с конвертацией PCM в DSD, поскольку у него самый большой набор модуляторов и цифровых фильтров. Он поддерживает 11 сигма-дельта-модуляторов, 30 цифровых фильтров, oversampling до 98,304 мГц (DSD 2048), а также технологию CUDA.
Конечно, oversampling в DSD 2048 — это перебор, тем более в нашем случае: BeagleBone black и Amanero могут воспроизводить максимум DSD 512. Плюс далеко не все компьютеры потянут даже DSD 256 на «тяжелых» цифровых фильтрах со сложными модуляторами. Цифровые фильтры в HQPlayer очень качественные и требуют большой вычислительной мощности.
У этого плеера есть свои минусы. Во-первых, плеер платный, причем не из дешевых; во-вторых, он поддерживает крайне ограниченный набор форматов: CDDA, FLAC, DSDIFF, DSF, RIFF, AIFF — и, к сожалению, не поддерживает CUE. Впрочем, его не обязательно покупать. Плеер в пробной версии позволяет прослушивать музыку без ограничений в течение 30 минут, а после просто закрывается. И ничто не мешает открыть его заново и использовать еще много раз по полчаса, пока не надоест.
Все недостатки перевешивает его вариативность и отличный звук. Плеер позволяет добиться очень качественного звучания. Цифровой фильтр и модулятор — это основная часть сигма-дельта-ЦАП. Их различные варианты как раз и реализованы внутри этого плеера, что позволяет подобрать качество цифровой обработки в зависимости от быстродействия компьютера. При использовании с BeagleBone black или Amanero HQPlayer становится тонко настраиваемым сигма-дельта-цифроаналоговым преобразователем с огромными вычислительными ресурсами в виде твоего компьютера.
Для подключения к BeagleBone black в настройках HQPlayer нужно выбрать в выпадающем меню Backend пункт NetworkAudioAdapter. В выпадающем списке Device должен появиться Botic7: Botic при условии, что основной компьютер с HQPlayer и микрокомпьютер BeagleBone находятся в одной подсети и имеется DHCP-сервер. В параметре Default Output Mode выбираем SDM (DSD), параметр Bit rate (/limit) для начала лучше выставить 44,1k х64. В третьей и четвертой версиях плеера настройки выглядят по-разному.
Дальнейшие настройки ты сможешь подобрать эмпирическим путем, исходя из своего вкуса (слуха) и производительности компьютера.
Теперь к DSD-выходам BeagleBone black нужно подключить ФНЧ. Чтобы убрать шумы от питания и пульсации светодиодов, лучше всего использовать гальваническую развязку. Вот и все, устройство готово!
Итого
Плюсы
Минусы
Минусы обнаружились только у плеера, их я уже перечислил.
Проект DSC и ПЛИС
При воспроизведении через ФНЧ есть лишь один недостаток — сигнал на выходе одноуровневый. Но при высокой частоте дискретизации влияние шума сводится к минимуму, к тому же при определенных затратах можно решить и эту проблему.
Проект самодельного ЦАП DSC, созданный Павлом Погодиным, может стать высококлассной альтернативой технологии DEM. Но, судя по всему, коммерческий ЦАП по схеме Погодина будет дороговат. Даже китайские самопальные платы, собранные по первым версиям DSC, стоили больше 10 000 рублей, а ведь сверху прибавится цена прецизионных компонентов, питания и корпуса.
Можно, конечно, копить деньги и ждать выхода ЦАП, но меня, например, это не устраивает. Поэтому я решил перенести проект DSC на ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема). Надеюсь, Павел не останется в обиде за это. 🙂
Для сборки мне понадобится собственно ПЛИС. Я выбрал одну из самых дешевых — Altera MAX II (EPM240T100C5). В ней 240 логических элементов и 100 выводов. Для современных ПЛИС это скромные показатели, зато и цена скромная — от 500 рублей.
За основу была взята схема версии DSC 2.5.2/2.6.2 (PDF).
Проект DSC основан на сдвиговом регистре 74AHCT595; восемь таких регистров формируют один звуковой канал, правый или левый. Первые четыре регистра подключены друг к другу и составляют один большой сдвиговый регистр на 32 параллельных выхода, эти четыре регистра формируют положительную волну. Другие четыре регистра подключены друг к другу аналогичным образом и формируют отрицательную волну. На вход первых четырех регистров подаются DSD-данные в исходном виде, а на вход других четырех — эти же данные, но с инверсией. К параллельным выходам этих регистров подключены резисторы, соединенные в две шины — одна для положительной волны, другая для отрицательной. Эти шины формируют балансный аудиовыход.
Принцип работы DSC похож на принцип работы мультибитного ЦАП, только данные на выходах меняются постоянно, а не по кадрам LRCK и каждый бит данных имеет одинаковый вес. Выходной сигнал в таком ЦАП, по сути, представляет собой сумму отдельных сигналов с выходов регистров.
Графический проект
В библиотеке среды разработки Quartus Prime, в которой и будет компилироваться прошивка для ПЛИС, есть готовая модель сдвигового регистра, именно того, что используется в оригинальном DSC, 74AHCT595.
Также в Quartus Prime можно собрать логическую схему полностью в графическом виде, не изучая никаких языков описания и программирования. Сделать схему просто, как в программах для рисования схем.
Но есть проблема: в выбранный ПЛИС Altera MAX II не влезает целиком схема оригинального DSC, так что ее придется упростить. У MAX II всего 100 выводов (причем не все из них можно использовать), а для DSC нужно как минимум 128 выводов. Придется отказаться от балансного выхода! Чуть позже я расскажу, как сделать полный вариант. А пока отложим в сторону сдвиговые регистры отрицательной волны и лишние логические элементы для инверсии сигнала.
Остается только назначить выводы, скомпилировать проект и загрузить в ПЛИС.
После загрузки прошивки нужно подключить резисторы к пинам ПЛИС и объединить их выходы по оригинальной схеме DSC.
Далее нужно подключить ФНЧ и конденсатор к общему выходу резисторов, чтобы убрать паразитные высокие частоты и постоянную составляющую сигнала.
Выход ФНЧ подключаем к усилителю, а на входные контакты подаем DSD c BeagleBone black или Amanero. Облегченная версия проекта DSC готова!
Проект на Verilog, stereo
Для оптимизации и расширения возможностей я перенес логику работы DSC на язык описания схем Verilog HDL. В результате количество используемых логических элементов в ПЛИС сократилось почти вдвое. Для наглядности я создал смешанный проект, где верхний уровень представлен в графическом виде, а вложенные блоки описаны кодом Verilog.
Блоки SR — это сдвиговые регистры, по сравнению с 74AHCT595 они значительно упрощены. На языке Verilog их код выглядит так:
В этом варианте специально для BeagleBone black добавлен селектор для переключения внешних генераторов тактовых импульсов. На большинстве качественных генераторов тактовых импульсов имеется управляющий контакт. Когда на этом контакте логическая единица, генератор работает, а когда логический ноль — нет. Располагаются управляющие контакты обычно там, где нарисован «ключ» — это небольшой кружок в одном из углов генератора.
Чтобы можно было автоматически включать-выключать звуковой выход, добавлена логическая схема Mute согласно оригинальной схеме DSC.
Проект на Verilog, mono
Покажу вариант реализации DSC, наиболее близкий к оригиналу. Помнишь, оригинальный проект не влезал на MAX II из-за недостаточного количества выходных портов?
У этой проблемы есть два решения: первое — купить ПЛИС с большим количеством портов, второе — купить две ПЛИС и реализовать правый и левый канал раздельно. Одна ПЛИС с достаточным количеством выходных портов гораздо дороже, чем две ПЛИС Altera MAX II, так что выбор очевиден. А еще считается, что dual mono — двойное моно — звучит лучше, чем обычное стерео. Теперь у нас есть отличный повод проверить это утверждение!
Итак, нам нужно создать элемент с инверсией сигнала и обязательно с синхронными выходами, потому что в балансной схеме даже небольшие различия могут оказать сильное влияние на звуковой сигнал.
На вход data подается выход данных правого или левого канала DSD, а на вход clk — синхронизация DSD. На выходах получаем прямой и инвертированный поток данных DSD.
Далее, как и в предыдущих версиях, подключаем созданный элемент к сдвиговым регистрам.
Я не указываю номера контактов ПЛИС, потому что проекты, скорее всего, будут обновляться и номера могут измениться. Чтобы узнать номера и при необходимости поменять их под свои цели, открой проект в Quartus Prime.
В качестве резисторов на выходах лучше всего использовать готовые резисторные сборки. Существуют сборки хорошей точности — они дополнительно улучшат характеристики звучания. Трансформаторы подключаются к общей шине резисторов, как в оригинальном DSC.
Все, мы собрали проект, максимально похожий на DSC! Надеюсь, по звучанию он будет не сильно уступать оригиналу. В идеале нужно переделать питание, но даже на моем тестовом ПЛИС с резисторами с точностью 1% и стандартным питанием от импульсного блока звук получился прекрасным. А с качественным питанием и точными резисторами будет еще лучше!
Итого
Плюсы
Минусы
Минусы не обнаружены (по крайней мере пока).
Заключение
Прослушивание музыки с конвертацией PCM в DSD считаю без сомнений наилучшим вариантом воспроизведения популярных форматов, особенно если использовать DSC. Альтернативой может выступать только популяризация и дальнейшее развитие форматов, в частности DSD.
Положа руку на сердце, скажу, что, какие бы цифровые фильтры, частоту дискретизации и модуляторы я ни использовал, чистый DSD все равно звучит лучше. К тому же при воспроизведении он не требует никакой цифровой обработки: не нужны ни фильтры, ни модуляторы, ни noise shaping — отчасти потому, что цифровая обработка уже выполнялась при записи.
Но теоретически при использовании хорошего компаратора и высокой частоты возможно подобие аналоговой записи без использования цифровой обработки вообще. Очень жаль, что DSD не распространен так же, как CDDA или хотя бы FLAC. Собственно, желание хоть немного популяризировать формат и было главной мотивацией написать этот материал. Надеюсь, тебе он понравился.