06-25-2023, 11:04 AM
Усі сучасні мікросхеми цифро-аналогових перетворювачів для аудіо мають у своєму складі мультибітові Сігма-Дельта Модулятори з мультирівневим ЦАП й тим чи іншим різновидом DEM між цими блоками (повністю структура виглядає як ЦФ-СДМ-ДЕМ-ЦАП).
[attachment=8167]
Модулятори бувають різних порядків, чим вищий порядок модулятора - тим менший шум у звуковій смузі і тим він більший за її межами.
Перевагою мультибітних модуляторів є більше відношення сигнал/шум при тій же частоті і порядку модулятора ніж у 1-бітових СДМ (5-бітовий СДМ в однакових умовах буде мати на 30 дБ краще відношення с/ш ніж однобітовий у смузі до Fmod/2).
Недоліками є шум, що залежить від рівня сигналу, і в першу чергу лінійність, оскільки розкид параметрів генераторів стабільного струму або резисторів або конденсаторів (залежно від типу ЦАП) в кілька відсотків призводить до суттєвих спотворень для боротьби з якими придумали блок динамічного підбору елементів (DEM).
DEM усереднює нелінійність мультирівневого цапа, але час усереднення обернено пропорційний частоті роботи модулятора і прямо пропорційний розрядності ЦАП, тобто чим вище розрядність вашого цап і чим нижча частота роботи модулятора тим більше часу треба для усереднення нелінійності. Різновид DEM першого порядку (що стоїть у 90% мультирівневих ЦАПів наприклад AK4399, AD1955, PCM1792, ES9018) не дуже добре усереднює нелінійність і має сильну залежність якості усереднення від рівня сигналу, і як будь-який СДМ 1го порядку дуже гадить паттернами(idle tones) як біля Fmod/2 так і такими, що напряму потрапляють у ЗЧ область.
Тому цифри спотворень виміряні на синусі для таких ЦАП немають нічого спільного з лінійністю на реальних музичних сигналах, але гарні цифри спотворень разом із гарними цифрами відношення с/ш дають змогу добре рекламувати й продавати продукцію.
Окремо можна відмітити WM8741/8742, в них було застосовано специфічний DEM 2го порядку (паттернів від нього немає навіть на Fmod/2!), ЦАП виконано не на однакових елементах, а зваженій матриці 1-2-4-8, що разом з частотою роботи модулятора у 256fs дало змогу зменшити час усереднення порівняно з конкурентами (6біт 64-128xб як от AK4399, PCM179x, AD1955 і т.д.) у 10-20 разів. (Але природньо через те, що застосовано матрицю 1-2-4-8, коефіцієнт гармонік на синусі вже не буде таким гарним як у цапах з однаковими елементами).
Також вони зробили модулятор малого порядку та якісно "заапсемплили" вхідний потік до частоти роботи модулятора. Але 8741/8742 через особливості/косяк дайки дико геморойна в застосуванні, що робить її використання в DIY розробках повністю неможливим.
Власне ЦАП в сучасних мікросхемах буває двох різновидів - неперервного часу (на виході неперервно струм або напруга) та дискретного часу (дискретно зарядом, різновиди Switched Capacitor, в основному застосовуються Direct Charge Transfer структури).
Перевагами ЦАП дискретного часу (SC dac) є фільтрація на переході з цифрового домену в аналоговий, що дає змогу зменшити чутливість до "білого" джиттеру й зменшити шум вище звукового діапазону. Недоліками є підвищене споживання струму живлення через наявність операційних підсилювачів(ОП) обов'язкових для такої структури, і, що дійсно для нас важливо - наявність динамічних спотворень через те що ОП завжди перебуває в режимі обмеження за швидкістю зміни напруги (slew rate limiting) і кодозалежному часі встановлення (settling time).
1-бітові СДМ і ЦАП:
Недоліками є менше (але кодонезалежне) відношення с/ш за тої ж частоти та порядку модулятора ніж у мультибітових СДМ, складність у дизерингу СДМ, менший досяжний коефіцієнт модуляції, потужні патерни(idle tones) в області Fmod/2 при малих вхідних сигналах (без сигналу й без дизерингу на виході потік то 010101 ... 0101), збільшення позасмугового шуму при зменшенні аудіо сигналу (потужність 1-бітового потоку завжди незмінна, перерозподіляється тільки спектр, якщо аудіо сигнал великий то ВЧ шум зменшується та навпаки).
Переваги, звичайно ж, такі: гарна (в ідеалі абсолютна) лінійність, що на синусі, що на аудіо сигналі однакова, менший струм споживання й займана на кристалі площа (через відсутність DEM і у 2^N меншого ЦАП).
Власне ЦАП може бути дискретного часу або неперервного часу, але також можливий ще один тип - FIRDAC.
FIRDAC or Semidigital FIR:
FIRDAC неперервного часу для 1-бітових СДМ вперше запропонували Девід Су і Брюс Вулі в 1993 році.
[attachment=8164]
Він являє собою реалізацію FIR фільтра цифровим та аналоговим методом одночасно, затримка реалізована цифровим методом, а коефіцієнти фільтра та суматор аналоговим. Коефіцієнти фільтра задаються струмом, а суматором виступає каскад перетворення струм-напруга (I/U).
[attachment=8165]
АЧХ однієї з можливих реалізацій такого ЦАП для аудіо застосувань показано нижче (128tap)
[attachment=8166]
Вихідний сигнал такого фільтра/цапа є еквівалентним мультирівневому ЦАП з дуже великою кількістю рівнів (розрядністю) але не має його недоліків, неточність струмів у цьому випадку призводить до зміни АФЧХ фільтра, а не до нелінійних спотворень як у мультирівневих ЦАП.
Перевагами FIRDAC неперервного часу є лінійність, при достатній довжині відмінне придушення позасмугових перешкод (відмінний "аналоговий" сигнал на його виході), дуже маленька чутливість до джиттеру, дуже невеликі вимоги до швидкодії(менш як 1 В/мкс) та смуги операційного підсилювача каскаду перетворення струм-напруга й відповідно відсутність динамічних спотворень.
Недоліками є велика займана площа кристала, потрібен дрібний техпроцес.
Синус 20 кГц 0 дБ при ЧД 44,1 кГц на виході ~75 tap FIRDAC (без будь-якої фільтрації у смузі до 400 МГц).
[attachment=8168]
Розрядність, частота дискретизації, шум і хайрез:
Деякі люди вважають, що, щоб повноцінно слухати цифрові фонограми високої роздільної здатності необхідно мати великий динамічний діапазон(>120 дБ) і високу частоту дискретизації. Але насправді все трішки не так.
Рівень шуму на студії звукозапису становить 25-30 дБ, максимальне SPL класичних музичних інструментів за пару метрів від них не перевищує 110 дБ, тому максимально досяжний динамічний діапазон (ДД) некомпресованого запису (яких практично не буває) становить 80-85 дБ, що відповідає розрядності всього в 14 біт. Аналізуючи багато записів можна переконатися, що лише дуже мало з них мають реальне відношення с/ш в 80-85 дБ, здебільшого дуже добре якщо є 70-75 дБ с/ш. У домашніх умовах рівень фонового шуму більший, а максимальний SPL у АС рідко досягає 110 дБ за кілька метрів від них, тому ДД ще менше.
Висока частота дискретизації гарна тим, що на етапах аналого-цифрового та цифро-аналогового перетворення можна застосувати ЦФ з плавним спадом АЧХ щоб уникнути застосування brickwall ЦФ і пов'язаних з його застосуванням проблем у звуці.
Але на жаль записи з ЧД 96/192 кГц переважно робляться із застосуванням brickwall ЦФ і відповідно не дають майже ніяких переваг над 44.1, єдине, оскільки хайрез позиціонується як кращий формат, то сам запис, зведення й мастеринг часто виконуються на хорошому рівні, що дає змогу людям, які не дуже розуміються у цих питаннях говорити про однозначну перевагу хайреза нібито саме через високу розрядність і ЧД. Окремо варто згадати DSD, тут цих всіх проблем немає але є інші, проте якщо використовувати цей фільтр http://s-audio.systems/catalog/dsd-filter то можна отримати лише переваги DSD при використанні 1-бітових ЦАП.
Дещо про аліаси:
Для УМЗЧ з негативним зворотнім зв'язком найгіршими є перешкоди та шуми в області його частоти одиничного підсилення, яка у більшості підсилювачів лежить в області 0,5...1,5 МГц, тому аліаси та шуми (у випадку СДМ) на цих частотах повинні розташовуватись нижче -80..90 дБ. А це означає (враховуючи додаткове придушення sin(x)/x і використання ЦФ 2х..8х) що якщо не використовувати ФНЧ з апроксимацією Чебишева і Баттерворта, і не робити частоту зрізу занадто низькою (нижче 60 кГц вже занадто помітно), це виливається у використання ФНЧ мінімум 4 порядку. Для СДМ ще треба враховувати, що мінімально допустимий порядок ФНЧ повинен дорівнювати порядку модулятора для ефективного придушення позасмугових шумів.
Дещо про джиттер:
Джиттер - це нестабільність тактового сигналу. Представити(і поміряти) його можна у часовій області як нестабільність часу фронтів/спадів щодо їх ідеальних значень(TIE/period/cycle to cycle jitter) або в спектральній області як графік шуму на різних частотах відносно несучої (phase jitter). Вимірювання (якщо їх виконано коректно) в обох областях дають ідентичний результат, але вимірювання в частотній області є простішим, ніж у часовій, тому що наприклад щоб виміряти джиттер від 1 Гц і вище треба осцилограф який має крім великої частоти дискретизації ще й велику пам'ять щоб оцифрувати відразу 1сек з великою частотою дискретизації (4..20 Ггц)(розгортка в осцилографі діє як ФВЧ).
Джиттер впливає на вихідний сигнал ЦАП як збільшення шуму (якщо джиттер без спурів) або додається + модуляція сигналу іншими частотами(якщо фазноїс зі спурами).
Допустимим є такий рівень джиттеру (без спурів!) при якому не зменшується відношення с/ш ЦАП нижче відношення с/ш записів, а це як було сказано вище ~80 дБ с/ш. А це для більшості типів СДМ мс ЦАП виливається в інтегральне значення джиттеру в кілька одиниць і навіть десятків наносекунд. Найбільш жорстким критерієм може бути такий рівень джиттеру, при якому не погіршується відношення с/ш конкретної мікросхеми ЦАП, наприклад для PCM1792 щоб отримати с/ш в 120 дБ інтегральне значення джиттеру має бути не більше 300пс.
Але якщо джиттер зі спурами, то тут з'являється сильна залежність інтегрального значення джиттеру від типу ЦАП і від частоти спурів, але загалом у цьому випадку можна говорити про достатність інтегрального значення джиттеру для більшості типів СДМ мс ЦАП(крім фактично 1-бітників неперервного часу) в кілька десятків-сотню пікосекунд.
Дещо про слух:
Людське вухо фізично може розрізняти близько 500 частот, і близько 24 частотні області при шумоподібному сигналі. Одночасний динамічний діапазон слуху 90дб. Так, наш перетворювач акустичних сигналів в електричні зовсім "слабенький" якщо порівнювати з зором, але тут на допомогу йому приходить "сигнальний процесор" в нашому мозку. Через це маємо дві речі, ми можемо тренувати "слух"(тобто мозок) краще розрізняти азимут, спотворення і тому подібні речі, і нажаль те, що не тренований "слух" легко надурити. Наш мозок добре розрізняє відносні зміни, але не абсолютні.
[attachment=8167]
Модулятори бувають різних порядків, чим вищий порядок модулятора - тим менший шум у звуковій смузі і тим він більший за її межами.
Перевагою мультибітних модуляторів є більше відношення сигнал/шум при тій же частоті і порядку модулятора ніж у 1-бітових СДМ (5-бітовий СДМ в однакових умовах буде мати на 30 дБ краще відношення с/ш ніж однобітовий у смузі до Fmod/2).
Недоліками є шум, що залежить від рівня сигналу, і в першу чергу лінійність, оскільки розкид параметрів генераторів стабільного струму або резисторів або конденсаторів (залежно від типу ЦАП) в кілька відсотків призводить до суттєвих спотворень для боротьби з якими придумали блок динамічного підбору елементів (DEM).
DEM усереднює нелінійність мультирівневого цапа, але час усереднення обернено пропорційний частоті роботи модулятора і прямо пропорційний розрядності ЦАП, тобто чим вище розрядність вашого цап і чим нижча частота роботи модулятора тим більше часу треба для усереднення нелінійності. Різновид DEM першого порядку (що стоїть у 90% мультирівневих ЦАПів наприклад AK4399, AD1955, PCM1792, ES9018) не дуже добре усереднює нелінійність і має сильну залежність якості усереднення від рівня сигналу, і як будь-який СДМ 1го порядку дуже гадить паттернами(idle tones) як біля Fmod/2 так і такими, що напряму потрапляють у ЗЧ область.
Тому цифри спотворень виміряні на синусі для таких ЦАП немають нічого спільного з лінійністю на реальних музичних сигналах, але гарні цифри спотворень разом із гарними цифрами відношення с/ш дають змогу добре рекламувати й продавати продукцію.
Окремо можна відмітити WM8741/8742, в них було застосовано специфічний DEM 2го порядку (паттернів від нього немає навіть на Fmod/2!), ЦАП виконано не на однакових елементах, а зваженій матриці 1-2-4-8, що разом з частотою роботи модулятора у 256fs дало змогу зменшити час усереднення порівняно з конкурентами (6біт 64-128xб як от AK4399, PCM179x, AD1955 і т.д.) у 10-20 разів. (Але природньо через те, що застосовано матрицю 1-2-4-8, коефіцієнт гармонік на синусі вже не буде таким гарним як у цапах з однаковими елементами).
Також вони зробили модулятор малого порядку та якісно "заапсемплили" вхідний потік до частоти роботи модулятора. Але 8741/8742 через особливості/косяк дайки дико геморойна в застосуванні, що робить її використання в DIY розробках повністю неможливим.
Власне ЦАП в сучасних мікросхемах буває двох різновидів - неперервного часу (на виході неперервно струм або напруга) та дискретного часу (дискретно зарядом, різновиди Switched Capacitor, в основному застосовуються Direct Charge Transfer структури).
Перевагами ЦАП дискретного часу (SC dac) є фільтрація на переході з цифрового домену в аналоговий, що дає змогу зменшити чутливість до "білого" джиттеру й зменшити шум вище звукового діапазону. Недоліками є підвищене споживання струму живлення через наявність операційних підсилювачів(ОП) обов'язкових для такої структури, і, що дійсно для нас важливо - наявність динамічних спотворень через те що ОП завжди перебуває в режимі обмеження за швидкістю зміни напруги (slew rate limiting) і кодозалежному часі встановлення (settling time).
1-бітові СДМ і ЦАП:
Недоліками є менше (але кодонезалежне) відношення с/ш за тої ж частоти та порядку модулятора ніж у мультибітових СДМ, складність у дизерингу СДМ, менший досяжний коефіцієнт модуляції, потужні патерни(idle tones) в області Fmod/2 при малих вхідних сигналах (без сигналу й без дизерингу на виході потік то 010101 ... 0101), збільшення позасмугового шуму при зменшенні аудіо сигналу (потужність 1-бітового потоку завжди незмінна, перерозподіляється тільки спектр, якщо аудіо сигнал великий то ВЧ шум зменшується та навпаки).
Переваги, звичайно ж, такі: гарна (в ідеалі абсолютна) лінійність, що на синусі, що на аудіо сигналі однакова, менший струм споживання й займана на кристалі площа (через відсутність DEM і у 2^N меншого ЦАП).
Власне ЦАП може бути дискретного часу або неперервного часу, але також можливий ще один тип - FIRDAC.
FIRDAC or Semidigital FIR:
FIRDAC неперервного часу для 1-бітових СДМ вперше запропонували Девід Су і Брюс Вулі в 1993 році.
[attachment=8164]
Він являє собою реалізацію FIR фільтра цифровим та аналоговим методом одночасно, затримка реалізована цифровим методом, а коефіцієнти фільтра та суматор аналоговим. Коефіцієнти фільтра задаються струмом, а суматором виступає каскад перетворення струм-напруга (I/U).
[attachment=8165]
АЧХ однієї з можливих реалізацій такого ЦАП для аудіо застосувань показано нижче (128tap)
[attachment=8166]
Вихідний сигнал такого фільтра/цапа є еквівалентним мультирівневому ЦАП з дуже великою кількістю рівнів (розрядністю) але не має його недоліків, неточність струмів у цьому випадку призводить до зміни АФЧХ фільтра, а не до нелінійних спотворень як у мультирівневих ЦАП.
Перевагами FIRDAC неперервного часу є лінійність, при достатній довжині відмінне придушення позасмугових перешкод (відмінний "аналоговий" сигнал на його виході), дуже маленька чутливість до джиттеру, дуже невеликі вимоги до швидкодії(менш як 1 В/мкс) та смуги операційного підсилювача каскаду перетворення струм-напруга й відповідно відсутність динамічних спотворень.
Недоліками є велика займана площа кристала, потрібен дрібний техпроцес.
Синус 20 кГц 0 дБ при ЧД 44,1 кГц на виході ~75 tap FIRDAC (без будь-якої фільтрації у смузі до 400 МГц).
[attachment=8168]
Розрядність, частота дискретизації, шум і хайрез:
Деякі люди вважають, що, щоб повноцінно слухати цифрові фонограми високої роздільної здатності необхідно мати великий динамічний діапазон(>120 дБ) і високу частоту дискретизації. Але насправді все трішки не так.
Рівень шуму на студії звукозапису становить 25-30 дБ, максимальне SPL класичних музичних інструментів за пару метрів від них не перевищує 110 дБ, тому максимально досяжний динамічний діапазон (ДД) некомпресованого запису (яких практично не буває) становить 80-85 дБ, що відповідає розрядності всього в 14 біт. Аналізуючи багато записів можна переконатися, що лише дуже мало з них мають реальне відношення с/ш в 80-85 дБ, здебільшого дуже добре якщо є 70-75 дБ с/ш. У домашніх умовах рівень фонового шуму більший, а максимальний SPL у АС рідко досягає 110 дБ за кілька метрів від них, тому ДД ще менше.
Висока частота дискретизації гарна тим, що на етапах аналого-цифрового та цифро-аналогового перетворення можна застосувати ЦФ з плавним спадом АЧХ щоб уникнути застосування brickwall ЦФ і пов'язаних з його застосуванням проблем у звуці.
Але на жаль записи з ЧД 96/192 кГц переважно робляться із застосуванням brickwall ЦФ і відповідно не дають майже ніяких переваг над 44.1, єдине, оскільки хайрез позиціонується як кращий формат, то сам запис, зведення й мастеринг часто виконуються на хорошому рівні, що дає змогу людям, які не дуже розуміються у цих питаннях говорити про однозначну перевагу хайреза нібито саме через високу розрядність і ЧД. Окремо варто згадати DSD, тут цих всіх проблем немає але є інші, проте якщо використовувати цей фільтр http://s-audio.systems/catalog/dsd-filter то можна отримати лише переваги DSD при використанні 1-бітових ЦАП.
Дещо про аліаси:
Для УМЗЧ з негативним зворотнім зв'язком найгіршими є перешкоди та шуми в області його частоти одиничного підсилення, яка у більшості підсилювачів лежить в області 0,5...1,5 МГц, тому аліаси та шуми (у випадку СДМ) на цих частотах повинні розташовуватись нижче -80..90 дБ. А це означає (враховуючи додаткове придушення sin(x)/x і використання ЦФ 2х..8х) що якщо не використовувати ФНЧ з апроксимацією Чебишева і Баттерворта, і не робити частоту зрізу занадто низькою (нижче 60 кГц вже занадто помітно), це виливається у використання ФНЧ мінімум 4 порядку. Для СДМ ще треба враховувати, що мінімально допустимий порядок ФНЧ повинен дорівнювати порядку модулятора для ефективного придушення позасмугових шумів.
Дещо про джиттер:
Джиттер - це нестабільність тактового сигналу. Представити(і поміряти) його можна у часовій області як нестабільність часу фронтів/спадів щодо їх ідеальних значень(TIE/period/cycle to cycle jitter) або в спектральній області як графік шуму на різних частотах відносно несучої (phase jitter). Вимірювання (якщо їх виконано коректно) в обох областях дають ідентичний результат, але вимірювання в частотній області є простішим, ніж у часовій, тому що наприклад щоб виміряти джиттер від 1 Гц і вище треба осцилограф який має крім великої частоти дискретизації ще й велику пам'ять щоб оцифрувати відразу 1сек з великою частотою дискретизації (4..20 Ггц)(розгортка в осцилографі діє як ФВЧ).
Джиттер впливає на вихідний сигнал ЦАП як збільшення шуму (якщо джиттер без спурів) або додається + модуляція сигналу іншими частотами(якщо фазноїс зі спурами).
Допустимим є такий рівень джиттеру (без спурів!) при якому не зменшується відношення с/ш ЦАП нижче відношення с/ш записів, а це як було сказано вище ~80 дБ с/ш. А це для більшості типів СДМ мс ЦАП виливається в інтегральне значення джиттеру в кілька одиниць і навіть десятків наносекунд. Найбільш жорстким критерієм може бути такий рівень джиттеру, при якому не погіршується відношення с/ш конкретної мікросхеми ЦАП, наприклад для PCM1792 щоб отримати с/ш в 120 дБ інтегральне значення джиттеру має бути не більше 300пс.
Але якщо джиттер зі спурами, то тут з'являється сильна залежність інтегрального значення джиттеру від типу ЦАП і від частоти спурів, але загалом у цьому випадку можна говорити про достатність інтегрального значення джиттеру для більшості типів СДМ мс ЦАП(крім фактично 1-бітників неперервного часу) в кілька десятків-сотню пікосекунд.
Дещо про слух:
Людське вухо фізично може розрізняти близько 500 частот, і близько 24 частотні області при шумоподібному сигналі. Одночасний динамічний діапазон слуху 90дб. Так, наш перетворювач акустичних сигналів в електричні зовсім "слабенький" якщо порівнювати з зором, але тут на допомогу йому приходить "сигнальний процесор" в нашому мозку. Через це маємо дві речі, ми можемо тренувати "слух"(тобто мозок) краще розрізняти азимут, спотворення і тому подібні речі, і нажаль те, що не тренований "слух" легко надурити. Наш мозок добре розрізняє відносні зміни, але не абсолютні.