VGP前副审查长山之内正大佬解说DAC基础知识
近年来，DAC这个词逐渐被使用起来，DAC和D/A转换器是一个意思，那么在音频里，DAC起着什么样的作用呢。 ＜DAC全面问答 Q&A一览＞【前篇】Q1、DAC的角色是什么？Q2、为什么DAC能改变声音，在音频中DAC重要的理由？Q3、DAC这个产品变多的理由？Q4、数字滤波的作用是？ 【中篇】Q5、多bit的DAC和1bit的DAC的区别？Q6、ΔΣ变调的作用？Q7、通用DAC芯片和音频制造商原创的DAC的区别？ 【后篇】Q8、通用DAC芯片和原创的DAC的优缺点？Q9、为什么搭载原创DAC芯片的产品在增多？Q10、各个公司原创DAC的特点？【Q1】DAC的角色是什么？DAC是「Digital Analog Converter」的缩写，也被称为D/A转换器，就是字面意思，把数字信号转换为模拟型号的组件或者电路。 声音的记录和播放，记录的麦克风，播放的音箱，基本都是的模拟，所以为了享受CD或者高分辨率数字音源，录音时模拟转数字，播放时数字转模拟是不可少的过程。 担当后者职能的就是DAC，CD播放器和网络播放器电路里有一部分也是DAC。大部分audio厂商使用的是集成的DAC芯片。http://imgs.aixifan.com/o_1c58in9g715oa6aa5fh174jkk7.jpgDAC芯片是数毫米的小LSI，内置的功能却很多，包括：数字滤波，ΔΣ变调，重采样等等，此外，有的DAC芯片里包涵了复数声道的处理，DAC芯片和时钟电路、电源电路等结合起来，就实现了基本的D / A转换器电路功能。 对音质有独特讲究的audio厂商，对于现有DAC芯片的功能并没有完全使用，而是独自设计一部分电路。另外也有厂商独自开发所有电路，再结合个别物件进行组合。 【Q2】为什么DAC能改变声音，DAC在audio里的重要度是？数字录音，是把麦克风收集到的模拟信号转换为离散的数字波形，特点是可以避免在复制和传输过程中数据的劣化。 DAC是把数字信号还原为模拟信号的电路，不过就算提高转换的精度，还原出来的模拟型号的波形也不可能和原来的完全一样。已经把连续的波形转化成离散的数值，这个误差不可避免的会产生噪音和音质劣化。 虽然现代数字化技术很高，数字化的波形精度非常高，但是也做不到和现实中的波形完全一致。http://imgs.aixifan.com/o_1c58is00u1vjbm1s20glg6p18h.jpg另一方面，模拟记录和播放有它固有的音质劣化原因，音质的变化和劣化比数字记录播放还高。录音设备和播放设备的设计者们，采用了很多技术和技巧来尽量减小音质劣化和变化，所以播放设备因此才呈现出音质的千差万别。 因此，不光是DAC厂家不同声音不同，就算是用同样的DAC芯片，由于技术的熟练的差距，出来的产品声音和音质也是不一样的。 另外，DAC里面模拟电路也会改变音质，所以声音发生变化有数字和模拟两方面的原因，最终音质的差距也是意外的大。 【Q3】为什么现在音频系统里DAC产品变多了？家庭音频产品最早的DAC出现在1980年代中期，到现在约有30年历史了。当时加了DAC和CD直接播放相比，音质有很大的差距，这也是单体DAC出现的原因，这个到现在也没有变。http://imgs.aixifan.com/o_1c58is96719ccij87kv1q7k1nvlr.jpgDAC独立出来的另外一个原因是容易导入最新的技术，因为D/A技术更新换代比放大等部件快，这样独立出来后，利于缩短研发时间，和采用最新技术。 第三个原因是音源的多样化，模拟音源急剧减少，相对数字音乐变多，现在已经加入了网路和USB。特别是以usb输入为主力的USB-DAC，是近年迅速普及的一个音频产品。 音源多样化后，为了应对采样率和量子化比特数的扩展，单体DAC有利于设计者进行开发。音源多样化的同时，音源也向高分辨率迈进了一大步，单体DAC的需求和高分辨率音源的普及是同步的。 【Q4】DAC里的数字滤波是做什么的？数字滤波是使用运算能力对数字信号进行各种各样的过滤处理。举一个例子，比如我们经常听到的重采样和升频就是数字滤波的功能之一。 数字信号里有一种转换误差，叫做量子化噪音，当转为模拟信号时，为了量子化噪音不给音质造成影响，必须使用数字滤波。特别是现在主流的1bitDAC产品，在进行ΔΣ变调之前，会把数字信号进行8倍重采样，为的是提高最终的音质。 数字滤波可以实现急速的衰减，这个特性是模拟不能实现的。衰减特性设置为尖后，会产生原波形不存在的ringing（前置信号波），这个对音质有副作用，所以为了抑制ringing，要减缓遮断特性（滤波慢），这样能接近自然声音。现在是多个滤波特性供用户选出自己喜欢的声音。
【Q5】多bit的DAC和1bit的DAC的有什么区别？使用数字转模拟的元件，和根据数字值大小的加权开关进行组合，最终输出模拟信号的DAC叫多bit的DAC。基本上和PCM的原理一样，所以结构很容易理解，不过现在市面上这类DAC变得很少了。http://imgs.aixifan.com/o_1c64udqsvun7chee70oc2h977.jpg变少的理由是，高精度的多bit DAC制作，有技术性的制约和较高的成本。在低bit区域，需要最大电压的数万分之一或者更微小的电压来控制开关，现在的半导体行业制作这样高精度的元件有技术上的困难。16bit的DAC要确保精度是相对困难的，对于24bit来说，困难是飞跃性的提高。代表性的多bit dac芯片「PCM1704」，目前能够取代它的几乎没有。 1bit的DAC在这样的背景下就出来了。通过ΔΣ变调处理，把PCM的离散的数字信号替换为1bit的疏密波（什么是疏密波，可以去看看之前发过的DSD文章http://www.erji.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2137398&extra=），把这个信号的高频噪音去掉后，输出为模拟信号。 用0和1构成的1bit，怎么再现出音乐复杂的振幅和音色的差异呢？用ΔΣ变调的手法把采样率设定得十分高后，从微小信号到大信号的领域，出现了忠实再现原信号的可能性。 另外，之前介绍的数字滤波的重采样和升频，和噪音修整进行组合，最后通过模拟FIR过滤器（低域过滤器）后，转换为模拟信号。设计这样转变过程，相对来说更简单。 最新的高性能DAC的一部分，上位是多bit，下位是1bit，这样组合而成，使得性能有了飞跃的提高，ΔΣ变调在下位bit的微小信号领域也能有比较线性的转换，同时保证基本的S/N和失真率也是很容易的。这种方式虽然有优势，不过需要一定的技术和技巧，高端器材中采用这种方式是占中心地位的。 【Q6】ΔΣ变调到底起着什么样的作用？ΔΣ变调是1bit DAC根本上最重要的技术之一，首先模拟信号转为数字信号的A/D环节，ΔΣ变调的基本原理是，把采样率非常高的信号逐步替换为0和1的排列，特点是让振幅情报表现在时间轴上。采样率单位远远高于PCM，到了MHz。 ΔΣ变调在D/A转换环节也起着重要的作用。对输入的PCM信号，最初进行8倍重采样之后，通过ΔΣ变调电路，转换为1bit的数据流，最后通过低域过滤器之后转换为模拟信号。 这个电路结构是现在1bit DAC基本的模式之一，实际中，有的机器是多个ΔΣ变调电路进行组合，有的机器是组合模式，即高bit领域是多bit模式，低bit领域是ΔΣ变调模式。现在主流的手法是提高ΔΣ变调量子化的bit数，从1bit向多bit迈进，这样能改善S/N和失真率。 另外，当输入DSD信号时，不通过ΔΣ变调，直接通过低域过滤器，这样模式应用于DAC芯片和部分单体DAC产品，这时去掉多余的步骤，可以减小音质的劣化。 很高的采样率一方面保证了最终的素质，另一方面，Σ变调量子化过程会产生大量的高频噪音，这个时候用噪音修整的技术，把可听范围的噪音从新分配到不可听的超高频里去，来消除对音质的影响。 【Q7】在hi-end产品里，有的厂家独自开发DAC，这是为什么呢？市面上的大部分播放器和DAC,采用通用DAC芯片并设计电路。而以高端厂商为中心，部分会自己设计DAC电路。 虽说厂商设计DAC，实际到什么程度也是各种各样的，有几种模式，有的厂商有区别于其他厂家的独特D/A算法，在此基础上设计电路，有的厂商是对DAC电路的某一块进行原创设计。 另外，同样的工作原理设计，在实现它的电路结构和元件上进行独立选择，也能改善音质，特别是对音质影响比较大的元件，有不少厂商会积极的挑选。http://imgs.aixifan.com/o_1c64ued3c1dhb1mt1hhk1r5t1fh8h.jpgCHORD「DAVE」，独自开发的D/A电路 现存的通用DAC芯片有很多参数和功能，hifi厂商的工程师在设计产品时，这些东西不一定能全部用完，根据产品的不同，会有不需要用到的电路，独自开发设计可以避免这样的浪费，同时也能改善音质。 另一方面，在算法和数字滤波上下功夫，只能说它是单独的dac芯片，并没有生产成套的设备，一般的做法是，在DSP和FPGA等半导体厂商生产的现有设备里，写入独自的程序，并留有更新的余地。等更优秀的技术进一步完成的时候，再更新软件加强相应的性能和功能，这个方法对用户也有一定的好处。 DAC独立开发的另一个优势是，一贯的设计思想能够赶上产品的音质。而独自设计周边电路，是没有办法进入关键的DAC电路内部进行音质调整，现实是在哪个地方就会出现妥协。不在意这个制约，为了追求目标音质的话，独自开发DAC是第一捷径，很多厂商都是这么认为的。
【Q8】通用DAC芯片产品和原创DAC，各自的优缺点是什么？利用半导体厂商开发的通用DAC芯片有几个好处。半导体厂商开发的通用DAC芯片和其他产品，使用量很大，除了hifi厂商，其他还有很多厂商会使用，例如汽车和智能手机厂商。DAC开发需要大量的资金和最先进的技术投入，才可以开发出性能很高的设备。http://imgs.aixifan.com/o_1c67ch3on1bd217r71m0sibm1ihp7.jpg「AK4497EQ」和「ES9038PRO」，最高峰的DAC，被很多hi-end产品采用 另外，HIFI厂商直接使用这样高性能的通用芯片可以节约开发成本和时间，不过需要设计的点还是不能马虎的。重采样和数字滤波电路的设计，需要充分的知识和技术，数字技术比模拟技术进步快，所以DAC设计的时候必须要用到最新的技术成果，这个过程是相当困难的，如果花费时间太长，那么播放器和放大组件的开发时间会受到制约。 而原创DAC的一个优势就是，开发的自由度更高，厂商如果用自家的技术设计DAC的话，例如不使用IC等集成电路，用个别元件构成电路。同时不会被通用DAC芯片的性能和功能所束缚。http://imgs.aixifan.com/o_1c67chtkj6qrmpg1im05kqrm3h.jpg马兰士SA-10搭载了自家开发的DAC「Marantz Musical Mastering」 原创的另一个优点是，独特特性的数字滤波，电源和时钟的电路优化，周边电路的优化，这些都能在音质上赶超通用DAC，当然这需要充分的开发时间，以及技术，一旦基础电路完成了的话，以此为基础不断改良就能超越通用DAC的性能。独立设计DAC的厂商很多就是用这样的手法，不断努力改善音质。 原创DAC的分立结构有一个优点，通用芯片是把多个功能放在一个集成芯片里，组成芯片都是微米级别的元件，而原创DAC的分立结构，把同等内容都放在外部电路里，这样选择元件的时候，大小和布局就很灵活，这么做音质可以大幅提升。 【Q9】hi-end厂商独自开发DAC的情况在变多，有什么理由吗？独立开发DAC的厂商在增多，理由有这些：第一，半导体厂商开发的现存通用DAC，目前选择面比以前小了。特别是高bit、高采样率的DAC，由于成本关系，新DAC开发实际上处于停滞状态，已经没法满足现有hiend产品的需求。 而1bit的DAC通用芯片，虽然在开发新芯片，但是在做这个的厂商已经很少了，而且对于新入行的厂商来说，技术壁垒很高。这样，需求相对集中，芯片又单一，产品的差异化难以拉开。这就是第二个理由。http://imgs.aixifan.com/o_1c67cig5ecng1lor12im10ge1iutr.jpgPlayback Design的「Merlot DAC」，DSD录音机开放人员成立的品牌。 也就是说，为了提高产品的价值，更多的厂商选择把自家独特的技术导入原创DAC，然后加强播放、放大等组件。因为DAC对音质的影响特别强，所以独立开放好处很大，当然不一定全部电路独立开发，可以把部分电路分离出去，在这些电路里导入独特的技术，就有可能和使用通用DAC的产品拉开差距。 独立开发DAC，对高分辨率音源的普及和DSD的从新评价，有着很大的影响。 【Q10】hi-end厂商们开发的DAC，各自都有什么不同呢？这些独自开发DAC的hi-end厂商基本上都是非日系的，特点都是在D/A算法上下功夫。 美国的Playback Design（开发人员设计过被称为Sonoma的DSD录音机），他们的DAC，会把输入信号升频到5.6/6.1MHz，来提高波形精度，这个技术叫PDFAS。这个算法在FPGA运行，并且可以通过固件更新算法。 英国CHORD，旗舰机是「DAVE」，也是独立设计和分离结构的DAC代表。算法没有公开过（不过我略知一二），改善瞬态“起”的WTA过滤器，噪音消减，脉冲列阵等独特技术，组合成高精度的DAC。http://imgs.aixifan.com/o_1c67cj6921jre1n631bai18m81i6h15.jpgdCS的「Vivaldi DAC」，搭载了第八代Ring DAC 英国的dCS，公司名的意思就是数据转换，dCS对各种DA、AD转换研究得很彻底，通过独家的升频和数字滤波，达到高精度的D/A转换。独自开发的Ring DAC一代比一代更强，有着很优秀的低噪和低失真、以及声道分离，对于时钟的精度也很有特色。 马兰士旗舰SACD机SA-10，第一次搭载了自家开发的Marantz Musical Mastering（MMM），是马兰士第一次分离结构的DAC。MMM是DSP构成的，包含了数字滤波和ΔΣ变调，模拟FIR过滤器也是独自设计的。DAC电路的前段和后段之间有数字隔离器减少噪音，这个都是分离设计的基础上才能做到的改良。
本帖最后由 lobo727 于 2019-2-12 18:34 编辑
通篇看下来讲了和没讲一样,其实现在很多DAC性能都是过剩的,DAC的书面指标能有多少反映到末端的换能系统才是最重要的,也是最难衡量的,如果电路是单纯的模拟电路,全是走低频就很好搞,但是世界上偏偏存在着射频干扰这个玩艺和数字电路密不可分,这部分的处理手段往往就是各家的核心技术,在我看来,CHORD的核心算法在于使用小波分析型的数学还原结构; DCS照着重于自己的称之为RING实现高比特高码率的DAC失真的无损失核心在于电阻的筛选以及软件和硬件的共同加密; 马兰士则是偏重于模拟电路和数字电路的一体化结合控制干扰; 其实明摊开没啥玄学,至于BB的 1704K是筛选出来的高精度芯片,还有个不是K的版本宣传失真大一倍价格低一半, 替换掉的原因是失真参数上无法和PCM1794A进行抗衡,对于半导体厂家要硅片卖钱无非也是数字游戏罢了,但是以上的每一样全部东西都是以巨量的研发成本投入来完成的,全部是燃烧的MONEY, 以上为个人猜测,仅供参考 那个变调应该翻译为 调制 发现在鼓吹平衡口的今天 马兰士SA10只有6.35口 没有平衡口
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