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实现DSD直解的1-bit DAC之梦:Audiobyte Hydra Vox/ Zap说明会

作者:戴天楷 图‧郭振荣/Audiobyte 阅读数:145 发布日期:2019-04-30

摘 要:来自罗马尼亚的 Audiobyte 推出新产品了。

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来自罗马尼亚的 Audiobyte 推出新产品了。继 Black Dragon DAC、Hydra Z DDC、Hydra ZPM 超线性电源供应器的组合后,再次推出更高级的选择,那就是 Hydra Vox、Hydra ZAP、Hydra Hub 的系列机款。产品定位在 Black Dragon 之上,而 Black Dragon 系列产品则会继续贩卖。

这套 Hydra 家族,从 2018 年起,连两年在慕尼黑17彩票 展现身,但是直到去年底才开始出货。酝酿这么久的产品,到底有什么厉害之处?代理商为了让故事说得更精彩,而不只是照本宣科地报告一下规格和特性,特别找来专家说明。


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专家助拳的另类说明会

说明会当天,才踏进巴洛克的试听室,就看见身着Polo衫配牛仔裤的讲师 Michael Wang(王任远)。他是代理商巴洛克的好朋友,代表巴洛克出征已经不是第一回了,先前因为 EC(Electrocompaniet)与巴洛克认识,不仅成了主顾,也交了朋友。

Michael 是个具有 30 年业界资历的科技人,曾任职高科技产业从事过芯片设计也担任顾问做项目。Michael说「我设计过芯片,经过通讯业,也参与过软件开发,我们业内称的 ICT 我都走过了。」

Michael 不仅是个资深的科技人,他也热爱音乐和17彩票 。「我在科技业打滚了 30 年,做17彩票 迷也大概 30 年。」Michael在事业和工作上讲求实事求是,在17彩票 上也是。他与巴洛克结识的故事,就是最好的例证。「我的音箱是 B&W M801,这音箱很不好搞,后来得知 Abbey Road 录音室还有 Michael Jackson 的御用录音师 Bruce Swedien,都是用 EC 扩大机来推 M801。」因为对专业的信任,他找上巴洛克,要为自己的 801 找到最合用的伴侣。


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产品定位—超取样派的1-bit比特流

技术人出身的 Michael 表示,因为科技业背景,所以,来到17彩票 领域,他也采用相同的分析架构,他要问的是:这 30 年来产业链发生了什么事?以致于今天才会有 Audiobyte Hydra Vox 这个产品。从历史的角度,Hydra Vox 这个产品应该如何定位?

基本上,DAC 不是好坏的问题,而是途径的问题。也就是:你的解决方案是什么?Michael 整理 DAC 的架构原理,大概可分为两支,一个是 Nyquist architecture,一个是 Oversampling 超取样架构。以二进制或两倍取样为基础的前者,可以 R2R 阶梯式 DAC 为代表;至于后者 ,则又可分为 Multi-bit 和 1-bit 两支。

而 Audiobyte 的 Black Dragon 和 Hydra Vox,恰好分别采取了超取样架构的两派解碼途径。如果再把母公司 Rockna 算进来,Wavedream DAC 的架构正是 R2R ladder DAC,主事者 Nicolae Jitariu 手下三件 DAC 产品,恰好通包了 DAC 的三个主要型式。

回头看 Audiobyte 的 Hydra Vox。这是一台以 FPGA 芯片做前端数字讯号处理,然后以 1-bit 架构解碼的 DAC。1-bit 架构的 DAC 早就有了,这一点不新鲜。但为什么要选择采用 1-bit 译码,则跟 DAC 演进的历史以及数字音频的编码技术发展有关。


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为什么采取1-bit?

Michael 表示,如果我们希望 DAC 具有高水平的声音艺术表现,那么,数字模拟转换的线性程度是很关键的。问题是,DAC 转换却充满了误差的可能,这就影响转换出来的声音偏离了原始讯号,那些失真如果造成非线性程度越多,声音就越不好听。「这就是为什么有些人认为真空管机和黑胶比较好听,因为他们的失真还是线性的。」

那要怎么做呢?Michael 提出三件事:第一要尽量维持线性,第二是尽可能降低线性偏移(offset),第三就是想办法作补偿。从数学来看,讯号重现,其实就是一种线性逼近,所以,用微分来逼近,会获得比积分更小的线性误差,「而且,就算有误差,也是可预测的、可控的,那么我们就可以事先做 cancellation,去补偿它。」

「我们认识数字讯号怎么编码,就能了解译码的意义。」大部分的数字编码都是采用 PCM(Pulse-code modulation,脉冲编码调变),而早期的芯片造价高昂,运算能力远不及今日,对于处理 16bit/ 44.1kHz 的数字讯号,其实相当困难。所以,早期的工程师为了降低芯片的运算负荷,因此将取样值做了平均,以减少运算的讯息量。「这是不得已的事,但也说明了为什么早年很多 CD 唱盘不够好听。」


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值此同时,还有另一批工程师在研究另一条编码途径,那就是 PDM(Pulse Density Modulation,脉冲密度调变)。PDM 一样是将脉冲讯号取样编码,但是编码的内容是脉冲的密度。如此一来,每一个脉冲密度变化的取样,都是一个独立的取样点,就没有平均的问题,这就是 1-bit 的初始构想。

Michael 表示,多位的 PCM 和 1 位的 PDM 在编码原理上,后者会更趋近于线性,「即便会有误差,也是可预测的,所以可以补偿修正。」听感上会有差别吗?他认为,就算到了芯片技术这么高明的今天,多位和 1 位还是有差别。「一个听力受过训练的人,还是可以分辨出来。」

出身科技业且待过晶圆厂的 Michael 个人的预测,未来芯片将具有现在所难以想象的指令周期,要处理超高取样的讯号不是问题,例如 DSD 1024 以上的规格,误差区间已远小于人耳可分辨的范围,「我们所听到的声音将会非常非常线性」。

 

古有明证,设计关键早已揭示

Michael 举大家所熟知的 Philips TDA1541A 和 SAA7320 为例说明。前者是 Philips 在 90 年代推出的多位「机皇」芯片,后者则是 Philips 最早推出的 1-bit DAC 芯片。Michael 整理出这两个芯片的共同特征:第一,他们都采左右声道分离的双通道架构;第二,他们都很重视参考电压的稳定性。「其实,这两项正是好的 DAC 的必备条件。」

Michael 更要强调的是:远在 1988 年就推出的 SAA7320 竟然有我们现在才重新注意到的规格。它的处理路径是从 I2S 数字输入 16bit/ 44.1kHz 的数字讯号,先做 4 倍超取样,经过 FIR 数字滤波后,再进行 32 倍超取样,总共进行 128 倍的超取样,达到 17bit/ 11.2MHz,接着走 1-bit PDM 转换,且进行 2 阶 noise shaping,最后做 1-bit 数字模拟转换。「这跟我们现在在谈的 DSD 不是很像吗?11.2MHz 的取样率不就是 DSD256 吗?」

这些历史回顾都是为了介绍 Hydra Vox 而有的必要铺陈。因为 Hydra Vox 就是一个采取 1-bit 数模转换的 DAC,甚至,Nicolae 在与 Michael 通讯对谈时表示,他在 Hydra Vox 上所做的,其实就是透过更进步的技术,更强大的运算能力,去实现过去如 SAA7320 芯片所无法完成的事。这是经典的重现,却要重现的更精彩。


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三件式Stack套装

它究竟有什么特点呢?首先,Michael 称 Audiobyte Hydra Vox/ Hub/ Zap 的三件式套装就像是IT产业里常见的stack(整迭)式提案,「这是一个整体设计、模块化实现的系统,这在IT产业里,采取这种设计,往往可以让3件器材加起来可以达到 1 + 1 + 1 > 3 的效能。」


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可升级的FPGA架构

其次,Hydra Vox 内部采用的是 FPGA DAC(Field Programmable Gate Array,现场可程序化逻辑门阵列),其内部的工作逻辑是透过程序来定义,并且可以进行更新和修正,可说是一个可编成的 CPU 处理器。Hydra Vox 上采用的是 Xilinx的Spartan 7 FPGA 芯片,内有 80 个核心可进行数字处理。

把传统上由许多芯片和组件所构成的线路,做到一个 FPGA 芯片里有什么好处?Michael 表示,IT 领域称这个叫做同质化硬件平台,也就是所有的工作和路径都在单质性材料上完成,不需要经过接脚、铜箔,也不需要考虑不同的硅晶元。所以,FPGA 可以实现最短讯号路径的理想,并且缩短迟延时间,降低时间域的相位误差。再一个好处就是可以透过更新韧体,使硬件性能提升,这也就是网通领域里所谓「软体定义」的概念。


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真正可直解DSD的1-bit DAC

第三,因为是 1-bit DAC,所以 Hydra Vox 是真正可以处理原生 DSD 讯号的 DAC。现在市面上的 DAC,绝大多数都可以支持 DSD 解碼,却多是以 PCM 为基础。Hydra Vox 在译码 DSD 讯号时,没有经过任何内部的数字转换处理,可称为 DSD 纯粹路径(DSD pure path)。这样的 1-bit DAC 除了可以直接解 DSD 讯号外,还有什么好处呢?有的,就像前面所讲的,它具有低底噪、高线性,以及高解析的特点。

但是相对地也有挑战,包括芯片的高运算能力、高精度的参考频率,以及高稳定度的电压。前两者都是当年Philips芯片所不具备的条件,但现在都得以达成了。芯片具备高运算能力,就能够达成低延迟的目的。

至于取样频率这样高,相对应就需要更精密的频率控制。而且,Nicolae 还在 Hydra Vox 的 FPGA 芯片里写了一个 DPLLCLK 的数字频率锁相,用程序来管理不同输入和区块的频率锁相,与参考主时钟配合,这种设计也很少见。

为了应付高取样频率,DAC 需要有高稳定度的电压,因此一般的交流转直流的电源供应是不够的。「任何 DAC 芯片的 IC 设计线路图里,都有一个参考电压。芯片能不能达到所标称的性能规格,参考电压稳不稳定是先决条件。」此外,稳定的电压也和低噪讯和共模互斥效果有关。


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I2S+LVDS达成高速直通的理想

第四个特点则是它采用了 I2S+LVDS(低电压差分讯号)。随着 I2S 渐受欢迎,越来越多讯源器材配备了 I2S。其实 I2S 初期发展是为了军事用途的高速数字通讯。具有低耗电、高抗扰性、高数据传输的特性,而这恰好是传输并运算 DSD 高取样率讯号所需的。

那为什么还有 LVDS 呢?LVDS 初期应用也是在军方通讯或航天通讯领域,因为在通讯传播上强调数据封包的完整性,并且要有抗 EMI 和 RF 干扰的能力。而 LVDS 本身其实就是一个差分电路,就是17彩票 上惯称的「平衡式」电路。在 Rockna 和 Audiobyte 的 DAC 上都有这样的全平衡设计,Hydra Vox 也不例外, 其因正是为此。而当 I2S 搭配 LVDS 之后,就达成了通讯领域里所称的高速直通电路。


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镜相补偿技术降低失真

最后,Michael 表示,虽然 Hydra Vox 采用 1-bit DAC,但它仍有相位失真,而且因为它取样频率很高,所以后端的数字滤波相对难做。为了解决低通滤波造成相位失真的问题,Nicolae 在那个 FPGA 芯片里面写了一个「镜相补偿」的演算,透过在数字域产生一个镜相讯号,消除模拟域的相位失真。

 

三剑客蓄势待发

Hydra Vox 不是一个单独的存在,它需要 Hydra Zap 的供电,方能成就 Nicolae 想要完成的 1-bit 的梦。而且,还有一个 Hydra Hub 还没有正式供货,等到三件齐备,那就是三剑客齐聚的时刻。

All for One, One for All。记得这句三剑客的经典台词吗?这就是 Audiobyte Hydra 系列的概念--三位成一体。期待 Hydra Hub 的到来,届时,我们再与 Michael 有约。


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厂商信息

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