R2R NOS DAC

Technika konwersji cyfrowej R2R vs Delta Sigma

R2R kontra Delta Sigma, który jest lepszy

Często pojawia się polemika i opinie o wyższości starszych konwerterów twz multibitów nad najnowszymi delta sigma od AD / ESS / Woolfson Cirrus / AKM itp. U mnie problemy z satysfakcją z brzmienia systemu pojawiły się w 2004 roku, jak przesiadłem się na pierwszy odtwarzacz SACD. Był to Accuphase DP 77. Musiałem przecież mieć najnowszy i reklamowany standard wysokiej rozdzielczości w swoim systemie. Od tamtego czasu praktycznie cały czas byłem jednak niezadowolony. Często więc zmieniałem sprzęty i  kupowałem nowinki, głównie odtwarzacze i potem DAC z coraz wyższymi częstotliwościami próbkowania i bitami. A efekty były stale niezadowalające. Było tak aż do roku 2012, kiedy to złożyłem DAC Audio Note kit 2.1B i w końcu dźwięk odżył. Nie był taki spektakularny jak kiedyś z Sonic Frontiers, Accuphase DP 75 i Wadii 16, ale był zbliżony do starej „wilgotnej” prezentacji. Słuchałem w ciągu tych 8 straconych lat, najnowszej wersji DAC-ów delta-sigma – niektórych w cenach 5000-10000 USD i nie rozumiałem, dlaczego brzmią inaczej, jakby gorzej niż stare odtwarzacze CD i DAC za 1000-2000 USD. Stare technologie były inne, starsze produkty, które wspominam jako dobrze brzmiące, miały kości PCM 1702, PCM 63, UA 20400, a potem Burr-Brown PCM1704. Niektóre z nich miały dodatkowo lampy na wyjściu i zerowe sprzężenie zwrotne. Ale to nie obecność lampy decydowała o tym wrażeniu odsłuchowym, bo niektóre produkty miały przeciętne op amp wewnątrz układu DAC, a mimo to brzmiały dobrze i chciało się ich słuchać.

Nowsze DAC, z którymi męczyłem się i przesłuchiwałem 10 lat, o architekturze delta-sigma  z kośćmi Crystal Semiconductor, Analog Devices, Woolfson, ESS Sabre 9018, AKM wszystkie miały wspólny charakter brzmienia, który można nazwać dźwiękiem „delta-sigma” (nudnym, nieangażującym).

Emocje głosu wokalisty, które w dobrych realizacjach się zmieniają, by stworzyć poczucie napięcia są znacznie mniej zauważalne w przypadku DAC delta-sigma. Wrażenie fizycznej obecności dźwięku, ciała, tekstury, wrażenie drewna i stali, masy fortepianu, fascynujące tonalne meandry skrzypiec, dzwoneczków, przeszkadzajek są zmniejszone lub nieobecne. Czasem w przypadku dobrych DAC z ESS 9018, 9038 PRO różnice są subtelne i wymagają szybkiego porównania z przetwornikiem cyfrowym PCM-63 lub 1704, aby usłyszeć tą różnicę. Bo z pamięci, bez szybkiego przełączania trudno zrozumieć dlaczego delta-sigma wydaje się nam gorsza lub nudna. W większości DAC-ów delta-sigma strata jakości nie jest jednak subtelna, ale znacząca, a wykonawcy brzmią nudnie, jakby po prostu odrabiali pracę zamiast grać jak artyści. Chodzi o to, że po usłyszeniu dobrej implementacji R-2R, w porównaniu do dobrej implementacji Delta-Sigma, wiele osób preferuje przetwornik R-2R ze względu na doskonałą naturalną reprodukcję muzyki.

Po latach rozczarowań przyzwyczaiłem do tego dźwięku audiofilskiego delta-sigma z najnowszych DAC. Pomyślałem, że tak widać ma być, skoro wszyscy tak produkują. Dźwięk ma jasność, detal, wymiar i gładkość, niby wszystko jest na swoim miejscu, ale po powrocie do DAC z PCM 63K, 1702, 1704 pojawia się eureka. Tego właśnie mi brakuje. Mnie tak na prawdę olśniło nie przy podłączeniu Audio Note kit 2.1B DAC, ale 2 lata później kiedy kolega przyniósł stary odtwarzacz CD Accuphase DP 75 i wówczas się stało. Powiedziałem tego mi brakowało ponad 10 lat. Cała żywość i kolor tonów nagle powróciła, a wykonawcy, instrumenty i sala oraz przestrzeń znów brzmią prawdziwie. Spowodowało to decyzję, że kupuję najlepszy w historii DAC Accuphase, czyli model DP 91, sprzed 20 lat.

Postanowiłem dlatego napisać ten artykuł i wyjaśnić skąd biorą się takie wrażenia.

Na wstępie jednak trochę historii o cyfrowym dźwięku od połowy lat 80-tych

Kiedy płyty CD zostały zaprojektowane w połowie lat 80-tych, zaimplementowano standard Redbook, który narzucał określony kod cyfrowy zapisany w bitach składających się z 1 i 0, które można przechowywać na nośnikach takich jak płyty CD. Specyficzny kod Redbooka opisuje analogowy przebieg muzyczny, a po konwersji bitów cyfrowych z powrotem na analogowy, jak ten kształt fali byłby dekodowany i odtwarzany. Brak było wówczas niedrogich chipów przetwarzania, które są dostępne dzisiaj, konwersja na cyfrową została wykonana przez drabinkę rezystorową. Bity zostały przesłane do prostej drabinki rezystorów zwanej R2R DAC (rezystor do rezystora – cyfrowy konwerter audio ).

Dla celów koncepcyjnych przyjrzyjmy się prostemu diagramowi drabinowemu R2R.

Każdy bit ma określone napięcie lub „wepchnięcie” do drabiny. Każdy bit (napięcie pulsacyjne) stanowi niewielką część oryginalnego sygnału analogowego fali sinusoidalnej. Bity są przesyłane do szczebli drabiny (D0-D7), wszystkie bity łączą poszczególne wartości w sieć rezystorów. Każdy z tych bitów jest wprowadzany do drabiny rezystora na poszczególnych szczeblach, powodując jej napięcie lub „popychanie”. Te pojedyncze bity z ich krótkimi impulsami napięcia wtapiają się w sieć rezystorów powodując nowe ciągłe napięcie, które ma być dokładną kopią oryginalnego sygnału analogowego, który jest odgrzebywany na górze i na dole drabiny. Aby precyzyjnie konwertować bity cyfrowe na analogowe, wartość każdego rezystora musi być dokładną poprawną wartością omową, wymagającą bardzo dużej precyzji przy wytwarzaniu drabiny. DAC drabinowy, taki jak oryginalny Philips TDA 1541, miał ograniczoną celność i był bardzo drogi. Jednak jego konstrukcja jest potencjalnie lepsza, ponieważ konwersja odbywa się za pomocą prostych rezystorów (pasywnych) bez przetwarzania.

W przetworniku R2R, rezystory sumujące są skalowane, przy czym pierwszy jest wartością R, kolejny 2R, a następnie 4R, a następnie 8R, a następnie 32R, 64, 128, 256 itd dla dowolnej liczby bitów. Większa liczba R jest najmniej znaczącym bitem. Najmniejsza wartość R jest najbardziej znaczącym bitem. Dokładność drabiny rezystancyjnej opiera się na tolerancji rezystorów. Wymagana jest bardzo niska tolerancja rezystancji wynosząca maksimum około 1%.

R2R DAC ma problemy z nieliniowością głównie z powodu obecnej tolerancji rezystora. Nieliniowość powoduje zniekształcenia. Może również powodować słyszalne zniekształcenia na styku zakresu ultradźwięków, które obniżają jakość dźwięku.

Jednak w przypadku nowoczesnej elektroniki istnieje możliwość uzyskania rezystorów o tolerancji 0,1%, 0,01%, a niektórzy stosują nawet 0,005% (np Denafrips Terminator).

Istnieje jednak wiele zmiennych, które należy wziąć pod uwagę, porównując 2 różne konwertery cyfrowo-analogowe. Na przykład w drabinowych przetwornikach cyfrowo-analogowych można zainstalować rezystory o różnej tolerancji. Może to prowadzić do nieliniowości i powodować różne zniekształcenia dźwięku. Nawet dla różnych egzemplarzy modelu tego samego urządzenia. Inny przykład: DAC PCM ma problemy z aliasami oversamplera, ale konkurencyjny przetwornik DSD ma gorszy filtr analogowy. Czy można przewidzieć, który z tych przetworników cyfrowo-analogowych brzmi lepiej? Prawdopodobnie nie. Więc technicznie niemożliwe jest porównanie dźwięku różnych typów DAC jako abstrakcyjnych jednostek. Ale możliwe jest porównywanie odsłuchowe dźwięku rzeczywistych instancji przetworników cyfrowo-analogowych, bez względu na przyjęte pryncypia konstrukcyjne. Jak widać wszystko opiera się na dobrej implementacji, w której te DAC-ki są tak dobre, jak dobrze są dostrojone i zaimplementowane.

Który chip i DAC R2R starej szkoły był najciekawszy ?

Absolutnie najbardziej muzykalny chip DAC, jaki kiedykolwiek powstał to Burr Brown PCM 63, o oficjalnej architekturze 20 bitów. PCM 63 jest szczytem inżynierii dźwięku cyfrowego konwertowanego na analogowy. Jeśli natomiast chodzi o audiofilski przetwornik używający PCM 63K to za najlepszy uważam Accuphase DP 91, gdzie zastosowano aż 32 takie kości, po 16 na kanał. Bardzo dobrze grały także stare Wadia 16, 27i, Audio Note DAC 1, 2, 3 i 4 (te ze starym logo) z chipem PCM63. Inny szczytowy produkt to DAC na podwójnym Ultra Analogu D20400A od Sonic Frontiers (SFD2mkII lub P3) lub Spectral 2000. Ultra Analog to w rzeczywistości stare multibitowe kości BB (1702 lub 63) zatopione na większej płytce z innymi elementami.

PCM 63 łączy w sobie wszystkie zalety konwencjonalnego przetwornika cyfrowo-analogowego (doskonała wydajność w pełnej skali, wysoki stosunek sygnału do szumu i łatwość użytkowania) z doskonałą wydajnością. Dwa DAC połączone są w komplementarny układ, aby uzyskać wyjątkowo liniową moc wyjściową. Wewnątrz znajdują się dwa 20-bitowe przetworniki R2R ze wspólną rezystorową linią.

Problemem R2R jest mała głębia bitowa; chociaż (ledwo) akceptowalna dla medium konsumpcyjnego 16-bitowa rozdzielczość okazała się nieakceptowalna w studiu, ponieważ każda ścieżka mastera wielościeżkowego najpierw jest nagrywana oddzielnie, a później miksowana, na różnych poziomach głośności, a 16-bitowe systemy nie mają dodatkowej rozdzielczości do utraty przy ściszaniu, gdy ścieżka 1 ma wartość -3dB w dół, ścieżka 2 ma wartość -10dB w dół i tak dalej. Po zmiksowaniu pojawi się zniekształcony, zaszumiony lub mało rozdzielczy bałagan, gdy wszystkie zostaną połączone. Od drugiej połowy lat osiemdziesiątych praktyka studyjna przeniosła się najpierw do systemów 20-bitowych, a następnie na początku lat dziewięćdziesiątych do systemów 24-bitowych. Ponieważ trudno produkować drabinkowe DAC 24 bitowe, to obecnie niemal wszystkie konwencjonalne DAC-ki to delta-sigma.

Na papierze te stare drabinki rezystancyjne może i wydają się działać gorzej i oferują mniej efektywny zakres dynamiki (20-21 bitów), ale ludzkie ucho komentuje ich brzmienie jako „analogowe”. Przetworniki DAC wykorzystujące sieci rezystorów były drogie w produkcji, wiec księgowi firm elektronicznych postanowili, że potrzebna jest nowa architektura DAC. W końcu ważny jest zysk, a nie doskonała inżynieria czy muzykalność. Tak narodził się strumień bitów lub kształtujący szum DAC, czyli MASH. Samo słowo NOISE w opisie DAC powinno być wskazówką, że przetworniki MASH nie są muzykalne. W rzeczy samej, inżynierowie, którzy zaprojektowali PCM 63, musieli być zdegustowani chipami MASH DAC. Potrzeba niezwykle kosztownych manipulacji aby DAC-ki delta sigma, zbliżyć brzmieniowo do R2R. Dlatego tylko bardzo drogie DAC DS. mogą konkurować z udanymi, ale tańszymi rozwiązaniami R2R sprzed lat.

Jeszcze kilka lat temu nowe 24-bitowe DAC w technologi R2R kosztowały majątek, jak francuski Totaldac d1 lub amerykański MSB Technology Select DAC, wyjątkiem od tego były niedobitki produkowanych przetworników z wyczerpanych zapasów kości PCM 1704, jak chiński GD Audio. Były też ciekawe, bardzo tanie i dobre DAC LITE Audio, ale już nieprodukowane. Potem pojawił się Meitner, ale ceny były wysokie..

Jednak w ostatnich latach R2R Multibit odrodził się i odniósł wielki sukces w pułapie urządzeń w średnich cenach, nawet poniżej 3000$, odkąd Schiit Audio wypuścił na rynek Yggdrasil DAC (aktualnie jest wersja 2), modne stały się także R2R DAC na elementach dyskretnych, kiedy wyczerpały się zapasy najlepszych starych 24 bitowych kości PCM 1704.

DAC R2R są obecnie licznie produkowane nie tylko przez drogie zachodnie niszowe wytwórnie audiofilskie, ale nawet przez wytwórnie z Dalekiego Wschodu: Holo Audio, GD Audio, Denafpris. Ciekawe gotowe moduły R2R produkuje duńska firma Soekris. Używa ich wielu audiofilskich producentów, od Lampizatora po producentów z Zachodu i Wschodu. Bardzo ciekawy jest Holo Audio Spring 2, szczególnie w najlepszej „zielonej” wersji za ok 3000EUR.

A teraz o delta-sigma, czym w rzeczywistości jest

Podstawowym powodem, dla którego wszyscy główni producenci używają Delta-Sigma zamiast R-2R, są koszty produkcji, realizacji i rozmiary. Mam wrażenie, że Delta-Sigma jest atrakcyjna dla producentów, głównie ze względów marketingowych: wsparcie „wysokiej rozdzielczości” do 768 kHz i 32-bitowe, DSD, DXD, DSD512. Trudno publicznie to porównywać z marnym „24 bitami i 96 kHz „, które producenci R2R często przekazują szeptem.

Istnieją też sprzeczne opracowania, część sugeruje, że R2R ma wyższą „rozdzielczość” niż Delta Sigma, a inne że wprost przeciwnie. Jest to zarówno mylące, jak i frustrujące.

Delta-sigma ma zmienną rozdzielczość w przeciwieństwie do stałej rozdzielczości R2R. Układ delta-sigma wymaga bardzo dużych nadpróbkowań, aby uzyskać sensowną rozdzielczość. Więc technicznie rzecz biorąc oba źródła mają rację, ale w innych okolicznościach. Poza tym nie jest praktyczne budowanie DACów R2R dla 24 lub 32 bitów, ponieważ potrzeba bardzo długiego łańcucha rezystorów. Przy 24 bitach setek, a przy 32 nawet tysięcy.

Delta-sigma nie ma idealnej liniowości, bo używa czasu i kodu, a nie rezystorów do tworzenia rozdzielczości. Dowolna liczba bitów rozdzielczości może być celowana, ale jej wydajność jest ograniczana przez szum, dryf, ograniczoną liniowość. Rozdzielczość zwykle zaczyna się od 16 bitów, choć obecnie częściej jest ustawiona na pracę z większą szybkością i wzrasta do 20 do 24, a niedawno wprowadzono 32-bitową.

Najbardziej niepokojące w przypadku konwerterów DS jest to, że podczas przetwarzania sygnału tracone jest oryginalne próbkowanie, ponieważ te DAC nie mogą obsłużyć więcej niż 5-6 bitów w sposób natywny. W związku z tym, że używają tak niewielu bitów, wytwarzają szum, dlatego muszą używać oversamplingu w celu zwiększenia szybkości transmisji bitów, a następnie zastosować agresywne techniki kształtowania szumów w celu przesunięcia szumu tuż poza słyszalny zakres. Proces ten może pójść jednak źle na wiele sposobów. Ponieważ DS są zasadniczo urządzeniami nisko-bitowymi, wydaje się, że potrzebują one coraz wyższych prędkości próbkowania, aby zrobić wszystko, co w ich mocy (włączając DSD), aby obejść podstawowe ograniczenia tej technologii. Delta Sigma to w rzeczywistości przetwornik cyfrowo-analogowy o niższej rozdzielczości niż R2R, ale osiąga wymaganą rozdzielczość muzyki przez nadpisywanie. Technologia DS, najpierw traci dane z oryginalnych próbek, obniżając każdą próbkę do 5-6 bitów, następnie DS nadpisuje brakujące dane o jakieś 2 ^ 8 lub 2 ^ 10 (256 do 1024 razy prędkość próbkowania z 44100), aby dodać dodatkowe 8-10 bitów wydajności, a następnie przystępuje do stosowania złożonych i niejasnych technik cyfrowej oceny szumów, aby oczyścić gigantyczny poziom szumu wprowadzonego przez wcześniejszy proces i „zamieść je pod dywan” przez przesunięcie ich nieco powyżej 20 kHz do miejsca, w którym słyszą to tylko zwierzęta. Na przykład ES9018 działa na poziomie 6 bitów + nadpisane bity.

Powinniśmy nie dać się marketingowi i na zawsze zapomnieć o „32-bitowych” DAC-ach, ponieważ żadna z technologii nie jest w stanie ich obsłużyć, zatrzymując się realnie na około 21-22 bitach, a najwyraźniej żaden standardowy cyfrowy plik audio nie zawiera więcej niż 24-bitowych danych.

To że dany DAC lepiej brzmi na ścieżce 24 bitowej vs 16 to często jest więc sprawa konstrukcji DAC, a nie tego że jest rzeczywiście więcej informacji, w paśmie słyszalnym, w sygnale po opuszczeniu przez niego samej sekcji cyfrowej przetwornika.

Delta Sigma jest najdokładniejsza na szczycie zakresu dynamicznego, ale traci rozdzielczość przy niskim poziomie sygnału (łagodniejsze dźwięki). Projekt Delta Sigma wymaga obszernego filtrowania analogowego. To dodatkowe filtrowanie analogowe wprowadza własny zestaw niedokładności, takich jak przesunięcie fazowe w sygnale wyjściowym. Można tak naprawdę powiedzieć, że DS jest konwertowaniem „stratnym”, ale nie jest to wprost porównywanie do mp3 do flaca lub czegoś w tym rodzaju.

To prawda, że ​​DS nie jest „stratny” w sensie plików MP3, ale w dużym stopniu odrzuca dane: w przypadku pliku 24 bit / 96 kHz np. ES9018 odrzuci 18 bitów, czyli 75% danych. I nawet jeśli DS może obejść tę utratę informacji przez oversampling, technicznie to wciąż może być postrzegane jako konwertowanie stratne.

W przypadku przetwornika R2R lub drabinkowego jest dużo mniej nieprzyjemnych artefaktów w obszarze wysokich częstotliwości. Przy częstotliwości 44 kHz przydatne jest filtrowanie pierwszego rzędu. Przy częstotliwości próbkowania wynoszącej 96 kHz nie jest ono wymagane. Ściśle mówiąc i zgodnie z oryginalnymi specyfikacjami jest, ale jego brak nie robi niczego niedobrego dla rzeczywistego słuchania muzyki. Jest to najczystsza muzyka w domenie czasowej, którą można usłyszeć. Wysokie tone są naturalne, pozornie miękkie, ale bardzo dokładne, a wokół dużo powietrza. Rozmieszczenie w przestrzeni i scena dźwiękowa są bardzo realistyczne, tj. jak na żywo.

Wielobitowe konwertery R-2R pobierają pełne próbki dostarczone przez bezstratny plik audio i konwertują je na poziomie sprzętowym przed przekazaniem sygnału do analogowego toru wyjściowego, bez nadpróbkowania (NOS). Ta technologia jest obecnie dość rzadka, a te DAC są droższe i wymagają ekstremalnej precyzji produkcji, gdy wchodzą w obszar granicznych 19-20-bitów rozdzielczości możliwych do uzyskania. Ostatnio nastąpiło ożywienie i kilu producentów wróciło do tych rozwiązań tzw NOS. Niektóre produkty używające konwerterów R2R to stara wersja Theta (np. DS Pro Generation V) i nowsza wersja Schiit multibit (np. Yggdrasil) lub Audio GD (np. Master 7 lub DAC-19).

PC Audio, DAC, Hi-End historia, DIY kolumny loudspeakers