Поговорим о цифро-аналоговых преобразователях

Пришло время систематизировать текущую ситуацию в индустрии построения современных и не очень ЦАП. В эпоху повсеместного властвования цифровых технологий задача перевода цифрового сигнала в аналоговый перестала казаться чем-то особенным, более того, стала на столько массово доступной, что уже наверное сложно найти человека, который помнит с каким трудом эти технологии пробивались на бытовой уровень, когда звуковые карты для ПК были непозволительной роскошью, а CD коллекционировали так же трепетно, как и грамм-пластинки. Тем не менее, это счастье наступило и это очень хорошо.

Однако как обычно это бывает, технология звукозаписи в цифровой форме, или как иногда называют в импульсно-кодовой форме, развивалась достаточно долго и уже успела породить ряд подходов и решений, которые смело можно называть классическими. Цель этой статьи – попытаться систематизировать текущее положение дел в области цифро-аналогового преобразования, тем самым возможно кому-то это поможет сориентироваться в море существующих предложений различных устройств.

Надо конечно сказать очевидную вещь: ЦАП в современной системе аудиовоспроизведения без преувеличения можно назвать одним из важнейших компонентов, от выбора которого зависит достаточно много. Различные технологии цифро-аналогового преобразования, способы усиления и фильтрации результирующего сигнала на выходе, а также безусловно качество электропитания всего этого – диктуют те или иные вкусовые предпочтения от прослушивания таких устройств, тем самым, отбросив очевидный дешевый ширпотреб, нельзя с достоверной точностью сказать, что вот это устройство понравится, а вот это нет. Более того, особый ужас наступает тогда, когда то или иное устройство предпочтительно для некого конечного набора жанров прослушиваемого музыкального материала.

Конечно, с академической точки зрения казалось бы все просто, у нас есть цифровая последовательность, которую с максимальной достоверностью нужно преобразовать в аналоговый сигнал, который в идеальных условиях теоретически должен в точности повторить тот самый аналоговый сигнал, который когда-то был подвержен преобразованию в «цифру». Однако, как известно, дьявол кроется в мелочах, и на каждом этапе преобразований неизбежно то тут то там возникают искажения и ошибки. Таким образом, как бы парадоксально это не звучало, задача ЦАП не только максимально достоверно выполнить искомое преобразование, но также по возможности замаскировать те или иные ошибки первичного преобразования, а также суметь не добавить «отсебятины». Задача эта достаточно сложная. Основная претензия к цифровой технике звуковоспроизведения основывается именно на некой синтетичности получаемого результата, которая (синтетичность) при прочих других условиях является следствием именно накопленных ошибок и неточностей как на этапе записи, мастеринга, так и при конечном преобразовании ЦАПа. Например, любители виниловых записей как правило недолюбливают цифровую технику, именно по причине этой самой цифровой синтетичности, забывая правда о том, что по сути ту же виниловую запись можно считать такой же импульсной последовательностью как и цифровую, которая кодирует исходный звуковой материал. Просто способ преобразования этой последовательности в аналоговые колебания несколько другой, который, кстати, тоже имеет свои особенности и ограничения, т.е. не всякая грамм-пластинка и первая попавшееся аппаратура способна раскрыть весь потенциал грамм-записи, так и не каждый ЦАП способен сделать аналогичное.

Но оставим всю эту философию в стороне, вопрос более чем дискуссионный и немало копий было сломано в битвах между любителей винила и «цифры». Вернемся непосредственно к текущим веяньям индустрии построения современных ЦАП.

И так, на входе в некий прибор мы имеем цифровую последовательность (массив данных), в котором закодированы амплитуды и частоты искомого сигнала. Эти данные в той или иной форме поступают на вход прибора (тут я сильно упрощаю), задача которого эту последовательность превратить в аналоговые колебания электрического сигнала на выходе. На сегодняшний день можно выделить две основные технологии, о которых дальше попытаюсь рассказать подробнее. Если копнуть тему глубже, то конечно технологий далеко не две, однозначно выделить тот или иной тип иногда бывает сложно, встречаются и смешанные решения.

Дельта-сигма-преобразователь

Если высказаться максимально упрощенно, то как правило в основе таких преобразователей лежит принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с изменяемой плотностью импульсов, с дальнейшим суммированием суммированием сигнала на выходе. В основе чаще всего лежит простейший однобитовый ЦАП, характеристики которого можно считать линейными. Для работы всего этого дела, как правило, требуется повысить частоту дискретизации искомого сигнала, тогда точность преобразования повысится, шумы квантования уменьшаться, а требования к выходному фильтру нижних частот (ФНЧ) снизятся. Наличие такого фильтра на выходе таких ЦАП является практически обязательным требованием, т.к. сам принцип их работы подразумевает порождение помимо полезного сигнала различного рода шумы выше по частоте.

На просторах интернета можно найти более академически верное описание работы таких преобразователей. Здесь бы хотелось бы отметить чисто практические моменты работы таких преобразователей в конечных устройствах. Прежде всего, следует отметить, что этот принцип преобразования сегодня является одним из самых распространённых. Этому способствует отлаженная высокая точность преобразования, так и относительная дешевизна реализации таких преобразователей. Данная технология имеет различного рода вариации, в том числе и использования в основе не только простейшего однобитового ЦАП, но и многобитового, что иногда отражается в названии как мультибитный-дельта-сигма-преобразователь.

В зависимости от конечной реализации готового устройства характер звучания, конечно, будет свой. Однако с большой долей вероятности от устройства на базе дельта-сигма-преобразователе можно ожидать достаточно динамического звучания, инструментальные партии при этом передаются достаточно детально, но при этом эта детальность может казаться избыточной, иногда даже давящей. Опять-таки, еще раз подчеркну, все зависит от конечной реализации. Таким устройствам, как правило, сложно даются различного рода тарелочки и сибилянты в вокале. Однако при всем этом яркость и живость звучания могут перевешивать эти недостатки, а умелая реализация цепей обвязки умело их маскировать.

Среди титулованных преобразователей этого типа сегодня можно выделить AD1852, AD1955, WM8740, SABRE ES9018. Эти микросхемы уже завоевали массу поклонников и были реализованы в качестве конечных устройств в различных своих ипостасях. При этом в зависимости от реализации, данные преобразователи показывают различный характер своего звучания: от аналитически сухого до музыкально эмоционального.

Мультибитный преобразователь

В основе таких преобразователей лежит матричный принцип. Как правило, в основе лежит матрица резисторов, каждый из которых соответствует каждому биту в цифровом сигнале и обладает соответствующим пропорциональным сопротивлением. Таким образом, такой тип преобразователей так же называют «преобразователи параллельного типа». Основная сложность тут изготовить матрицу резисторов максимально точно, от этого напрямую зависит и точность преобразования. Поскольку в процессе преобразования не используется ШИМ как в дельта-сигме, то и порождаемые преобразователем шумы несколько ниже и иные по характеру, что в некоторых случаях позволяет вообще отказаться от ФНЧ на выходе.

По звуку мультибитник как правило звучит более аналогово, менее синтетично, чем среднестатистический дельта-сигма. Однако при этом обладает и меньшей яркостью и динамикой. Мультибитному преобразователю проще даются инструментальные партии с тарелочками, а также сибилянты в вокале менее выражены.

Среди титулованных преобразователей этого типа можно выделить TDA1541, PCM5x, PCM63, PCM1704, AD1862, AD1865 и др. К сожалению, мультибитные преобразователи постепенно отмирают, уступая место совершенным дельта-сигма. Одним из последних ныне популярных, и на момент написания статьи еще производимых, является PCM1704.

Заключение

Вот так коротко и все-таки несколько сумбурно попытался описать ситуацию с ЦАП сегодня. Конечно, многое из высказанного спорно, и допускаю, что не совсем точно. Тут важно помнить, что тип преобразователя в оконечном устройстве хоть и определяет возможный характер его звучания, но все-таки многое зависит и от конечной реализации. Мой опыт прослушивания хоть и не очень обширный, но хорошо звучащие сигма-дельты уже попадались, ровно как и плохо звучащие мультибитники. Но знать на базе какого чипа построено то или иное устройство всегда полезно.

Дмитрий Иванов © 2012