Буквально несколько недель назад завершилась работа над новым проектом компании AudioStandArt. Это дискретный ЦАП - Referenece Analog DAC с интегрированным предварительным усилителем, построенный на базе собственной архитектуры и ориентированный на самого взыскательного аудиофила. В этой статье я хочу ретроспективно обрисовать путь, который привёл к созданию этого продукта.
Интересоваться вопросами преобразования сигналов из цифровой формы в аналоговую и обратно я начал ещё в институте в 1998 году. Благо курс факультета Радиоэлектроники и Лазерной техники МГТУ им. Баумана дал хороший математический базис. В приложении к цифровому аудио это, в итоге, дало возможность добиваться желаемых результатов.
Первый ЦАП, построенный около двадцати лет назад, был достаточно прост: PCM1704 с родным цифровым фильтром по схеме из документации, оригинальной в схеме была лишь выходная аналоговая часть. В то время мы делали разнообразные ламповые усилители, двухтактные и однотактные. Поэтому выходную часть решено было делать на нувисторах с пассивным LC фильтром, преобразователь ток-напряжение был резистивным. ЦАП получился в целом удачным, но его никак нельзя назвать выдающимся. Работай я сейчас над этой конструкцией, от тогдашних решений не осталось бы ничего.
Затем начались эксперименты с транзисторными усилителями, а в тематике цифры – возвращение к истокам: был сделан первый цап на TDA1541A. Этот чип образца 1985 года обладает чрезвычайно высокой музыкальностью, и работа с ним привела нас к пониманию настоящих тембральных возможностей мультибитных микросхем. Опробовались различные схемы преобразователей ток-напряжение, различные варианты цифровой фильтрации, различные схемы включения ЦАП. Достаточно длинный путь от одной микросхемы ЦАП без цифрового фильтра (NOS) с преобразователем на трёх транзисторах к балансно-включённой паре микросхем с 4-х кратным цифровым фильтром и сложным высоколинейным дискретным преобразователем. Звучание ЦАПа было насыщенным, информативным и, в тоже время, не лишено мягкости. Благозвучность этого решения вызывает и сейчас лёгкую ностальгию.
Параллельно мы делали ЦАП на дельта-сигма преобразователях, таких как CS4390, AD1853, PCM1794. При сравнении их с мультибитными ЦАП всегда отмечалась высокая линейность таких устройств, увы, сопровождаемая потерей тембрального разрешения. Особенно заметна такая потеря при прослушивании натуральных инструментов таких как скрипка, фортепьяно, аккордеон. (Среди наших клиентов, да скорее даже друзей, есть люди, играющие на этих инструментах и помогавшие нам в тестировании и доводке звучания всей разрабатываемой аппаратуры.)
За TDA1541A последовали устройства на AD1865N-K. Эти ЦАП делались, по моему мнению, с лучшим на тот момент интегральным цифровым фильтром NPC SM5847. Приборы делались с петлёй обратной синхронизации, что требовало модернизации CD транспортов, но значительно уменьшало джиттер и меняло, хотя не устраняло, влияние цифровых кабелей.
Приход Hi-Res форматов и распространение файлов потребовали освоения шины USB. Разрабатывать свой приёмник не было ресурсов, главным из которых было время и донором для конвертера выступали платы HiFace, глубоко интегрированные в наши схемы.
Тем временем, развитие идей в сфере усилителей привело к разработке полностью симметричных усилителей класса А.
Круг разработки замкнулся. Последним устройством на интегральных микросхемах стал балансный ЦАП на PCM1702-K с цифровым фильтром SM5847 и USB входом, синхронизированным с внутренними генераторами , сделанный в 2011 году.
Первая же микросхема ЦАП PCM1704, применённая нами 20 лет назад, оказалась последней разработкой из семейства интегральных микросхем ЦАП для аудио. Дальнейшие разработки были только для промышленного применения. Стало понятно, что индустрия уходит от мультибита и что вскоре потребуется его замена. Варианты дискретных решений продумывались начиная с конца 2000-х.
Тем временем, моя основная работа лежала в сфере разработки прецизионных модулей преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно для управления технологическими процессами (АСУТП). В промышленной автоматике применяют и дельта-сигма решения и мультибитные/SAR решения в преобразователях. В случае прецизионного цифро-аналогового преобразования используются только различные мультибитные решения, которые дают стабильный во времени сигнал, а дельта-сигма применяется только в точных низкочастотных АЦП, где всю хаотическую составляющую можно отфильтровать.
Шёл 2016 год. В лаборатории ASA рождается прототип первого полностью дискретного решения. Этот прототип демонстрировался на выставке MHES 2016 в составе нашей полнодиапазонной шестикорпусной полностью активной системы «Panacea».
К моменту создания этого прототипа мною была написана программа для измерения акустики методом MLS и прорабатывалась возможность цифровой коррекции помещения. Эта задача имеет много общего с цифровой фильтрацией. В ней применяется свёртка, которую нужно осуществлять в режиме реального времени, и для неё требуются специально рассчитанные последовательности коэффициентов.
Кроме того исследования характеристик обычных цифровых фильтров указали на значительный недостаток в их конструкции. А именно, речь о классическом симметричном цифровом фильтре, применяемом после передискретизации в составе интегральных ЦАП и в виде отдельных решений. Такой фильтр относительно прост, в нём рассчитывается только каждый второй отсчёт, но из-за своей простоты работает такой фильтр не с частоты Fs/2, а с несколько более высокой. В результате, несмотря на выдающиеся показатели внеполосного задержания (в 120 дБ и даже выше), есть небольшая зона зеркальной составляющей, прилегающая к звуковой полосе частот, которая не отфильтровывается. Это одна из причин остаточного «цифрового» призвука классических фильтров. Поэтому было решено делать полностью свой фильтр.
В качестве базовой схемы был выбран классический токовый мультибитный ЦАП. Со всеми его преимуществами и недостатками. Основные преимущества – высокая музыкальность, плотность и качество тембра. Из недостатков - высокий уровень гармоник, вызванный глитчем. Доработка идеи привела к пониманию того, что это тупиковый путь. Глитч в токовых схемах принципиально неустраним. Можно использовать устройства выборки-хранения, но подобное усложнение конструкции приводит к новым проблемам.
Хотя путь и был тупиковым, но опыт, полученный при этой работе, оказался бесценным. Мы отработали кастомный цифровой фильтр, способы высокоточной синхронизации без использования обратной петли, способ качественного воспроизведения DSD форматов мультибитными матрицами.
В результате нескольких лет работы, анализа накопившихся проблем и методов было решено создавать новую архитектуру ЦАП на базе преобразователя напряжения. В компании C-component были заказаны керамические матрицы с серебряным покрытием. Керамическая основа обеспечивает высокую равномерность температуры внутри матрицы, что уменьшает температурную девиацию её параметров. Были подобраны скоростные высоко симметричные ключи. Так, в 2020-м году появился прототип абсолютно нового ЦАП. Технические параметры нового преобразователя превосходят большинство решений на старых интегральных мультибитных микросхемах.
Когда возникла необходимость воспроизведения однобитных форматов, были рассмотрены различные способы и учтён опыт работы со старыми однобитными микросхемами. Выбор пал на вариант цифровой фильтрации и, следовательно, конверсии в PCM. Итоговые прослушивания подтвердили правильность такого решения. С математической точки зрения, оба формата – PCM и DSD – совершенно полноценны внутри звуковой полосы частот. Вся разница в шуме, который есть за пределами этого спектра у DSD и которого нет у PCM.
Одним из преимуществ новой архитектуры ЦАП оказались изменения в тембрах, обозначился уход от классического мультибитного звука ещё ближе к звуку аналоговому. Многочисленные сравнения этого прототипа с мировыми эталонами отрасли показали высокий потенциал устройства и выявили ряд недостатков. Так, несмотря на высокостабильные генераторы, развязки и реклокинг, USB вход звучал стабильно хуже CD транспорта, подключенного по AES. Исследование проблемы навело на второй путь проникновения джиттера, что, в свою очередь, позволило найти новый подход к этой проблеме.
Несмотря на то, что прототип в целом уже был разработан с применением полного заводского цикла разработки, переход от прототипа к предсерийному экземпляру занял почти полгода.
Было изменено всё – полностью переделаны питание и цифра, оптимизирована аналоговая часть.
Для решения проблемы джиттера используются фемтосекундные генераторы Crystek. Они, цифровая часть матриц и реклокинг запитаны от автономного аккумуляторного питания. Этим устраняется второй путь проникновения джиттера.
Применена гальваническая развязка между USB и DSP частью. Разработано новое линейное питание USB микросхемы XMOS.
В результате всех нововведений уровень ЦАП значительно поднялся, качество звучания через USB более не вызывает нареканий. Уровень собранности музыкальных образов , сцена , разборчивость отдельных звуков при исполнении сложной симфонической музыки соперничает с лучшими образцами, существующими сегодня на рынке ЦАПов.
Этот ЦАП является квинтэссенцией всего нашего опыта в проектировании аналоговой и цифровой техники, обработке сигналов и программировании за последние 20 лет. Проект осуществлён с участием российских дизайнеров и конструкторов, сотрудничество с которыми над новым дизайном корпусов началось 5 лет назад. Был осуществлен тщательный подбор всех комплектующих и кабелей. В тестовых прослушиваниях разных фокус групп были выявлены и устранены все недостатки. Всё это служит только одной цели – донести до вас звук таким, каким он был записан вчера, 20 или даже 70 лет назад. Именно поэтому мы назвали его Reference.
Антон Остроущенко
