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【2018-3】从CHORD DAVE谈起没有前级的数字音量控制(更新X22的ES9038pro数字音量...

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发表于 2018-1-31 18:43 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 山东省临沂市
本帖最后由 gebegebe 于 2018-3-29 09:48 编辑

声明:此文抛砖引玉,欢迎交流探讨,相关从网络获取的数据仅供参考,不负有任何责任。



随着DAC芯片厂商内置了数字音量控制,比如CHORD、ESS、AK等,很多解码器厂商也推出了带有“数字前级”的解码器,比如CHORD 、Mytek 、Weiss、谷津等,那么所谓的“数字前级”是什么?和传统模拟前级的优劣在哪里?

甚至有文章居然写到“官方自信宣布DAVE的数字音量,即使用到最大程度的衰减,其信息量与透明度可以超越任何模拟前级。”(来源http://www.隔壁.com/thread-379773-1-1.html)

要知道好的前级价格不菲,几万甚至几十万的都有,那么究竟数字音量控制是何方神圣?


先了解下音量是什么。

声音是由声波构成的,声音的响度是由声波的振幅决定的,在电声转换系统中,用电压来记录声音振幅,也就是说在HIFI系统中音量或者说是响度是由电压(电平)决定的。

我们的录音文件就有有采样位深,比如16bit 24bit,bit在这里是二进制的位数,16bit代表二进制的位数是16位,换成十进制就是65536。为什么要用二进制,因为集成电路是0、1的逻辑电路。

而响度的计算单位是db,根据换算,1bit=6db,既电压缩小1倍,响度减少6db,也就是说16bit的录音文件最多可以记录96db的动态范围,假设一个发声体最大发出了100db的声压,那么这个录音文件在录下了100db音量的同时就只能录下4db的弱音,低于4db的弱音它就录不到了。

假设一个16bit录音的最大电平是2V,那么它所记录的最小电平就是2V/65536=30uV。

对于数字音乐文件,通常默认最大音量为0db,衰减通常是负数,比如-10db,-20db。






传统的音量控制采用的是模拟电位器来调节音量。最简单的就是可变电阻,初中物理就学到了V=I*(R1+R2)。

常见的电位器分类

http://www.51hei.com/bbs/dpj-52765-1.html




传统电位器
分档式电位器
继电器电控衰减器
电子音量控制器


简而言之,模拟电位器通过改变电阻改变了输出电平。






对于数字音量控制,很多人还比较陌生,其实也很常见,EQ均衡器也是相同的数字信号处理(DSP),只不过EQ改变的是局部频段的音量,而数字音量控制改变的是全频的音量。

数字音量控制并没有使用电位器,而是直接改变数字文件,比如原本一个音量的数值为65536(录音的最大值),在-45db时,65536*0.005604=367.263744,但是一个16bir的DAC只能记录65536个数,精度为1,那最小误差的做法就是367.263744看做367,会出现0.263744的误差。而如果是32bit的DAC,它就可以记录4294967296个数,如果最大数值依然为65536,那么最小精度变为了1/65536=0.000152588,也就是367.263744不会被误差成367,而是误差成367.263744±0.000152588,精度大大提高。

其他例子可参考谷津的说明,简而言之,16bit的DAC会有较大误差,32bit或更高的位数,可以大幅减少误差。
http://www.erji.net/forum.php?mod=viewthread&tid=1939458



看起来事情得到了较好解决,但是还有一点,DAC的底噪问题,可以参考下图ESS关于模拟前级和数字音量控制的图示。

假设DAC的输出电平是2V,如果16bit录音文件在0db输出时,最大输出2V,最小输出时2V/65536=30uV,而如果衰减-45db,最小输出30uV*0.005604=0.16812uV,而这个DAC的底噪是1uV的话,那么底噪都远大于最小输出电平了,实际也等于缩小了动态范围。而传统的模拟电位器是通过改变电阻来改变电压,会同步衰减DAC的所有声音(包括底噪),原本DAC的底噪是1uV,那么DAC所带来的底噪就是1uV*0.005604=0.005604uV了,几乎没影响,而模拟电位器只受自己的元件底噪影响,如果模拟电位器自身的底噪小于DAC的1uV底噪的话,那么就好于DAC的数字音量控制。



3.jpg

4.jpg

2.jpg


当然,ESS在PDF中自吹它的底噪低至-135db,但官方给出的指标通常是极端条件下的,在DAC厂家设计了模拟线路和滤波后,真实的底噪并没有宣传的那么好。







下图是某前级制作者的THD数据图,有传统的前级比如金嗓子C-2820、PGA2320(不是实测)和他自己的模拟前级,作为参照的则是lyra2/weiss dac202/es9018的数字前级。


28288_1497242221.jpg


看图可以看出对于普通的数字和模拟前级,受底噪影响,THD和音量呈线性关系,底噪较低的THD参数也好。但某模拟前级的底噪会随着音量衰减而减小,这样虽然在0db时THD不如ES9018,但随着电平衰减THD则可以反超。

由于金嗓子C-2820、PGA2320不是实测,只是根据手册计算,所以是否模拟前级都有这一特性还不清楚。

总而言之,无论数字前级还是模拟前级,都需要尽量减少底噪,模拟前级的底噪是有可能随着音量衰减而减小的(具体原因不明),而DAC的底噪是固定不变的。




还需要考虑的是,目前的32bit DAC(ES/AKM系列)和64bit DAC(CHORD)只是分辨率达到了较高水平,说明软件算法的能力,但还要考虑DAC/ADC的精度,也就是误差总是存在的,具体的有效位数可以参考链接里的公式https://e2echina.ti.com/blogs_/b/adcdac/archive/2015/02/03/adc-i

分辨率高的DAC并不一定精度也高,如果误差较大,那么在实际的输出结果就不会和计算结果一致,当然无论是否计算,DAC的误差总是存在的,但因为数字音量计算是衰减得小数,基数变小,那么误差就会放大。




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主观部分,笼统一说,

数字音量控制的优势是偏凝聚,强音,清晰感和实体感强,声音比较沉稳,背景黑,主体更加突出,缺点是偏干硬,弱音显得少。
模拟前级的优点是弱音信息丰富,声音更流畅,但整体容易发虚,发散,空松。

Manhattan说明书上写的是,根据他们的listening tests,建议较大的衰减(>-20db)使用模拟前级,较小的衰减使用数字前级(<-20db),衰减在0至-6db的audio resolution和by pass是一样的。

其实每个数字前级的声音并不一样,但其实也依赖软件,比如QV就很有意思,PC端的foobar数字音量并没有锁死,可以和内置的数字前级一起控制音量,二者的声音就差异明显,内置的数字前级就更有模拟味。

测试的带数字前级的解码有谷津QM、QV, CHORD HUGO2、DAVE, Mytek Brookyn+、Manhattan。作为参考的模拟前级有SRM-717 SRM-T8000 Luxamn DA250 Linear 5 HA5050以及Brookyn+、Manhattan自带的模拟前级。

有一点需要注意下,Manhattan连接带有by pass功能的SRM-T8000,数字前级模式下,听觉底噪声较小,而模拟前级底噪较大,在较高音量下听觉底噪更显著。而Brookyn+使用自带的后级,自身的数字前级的听觉底噪的大于模拟前级,和曼哈顿有点相反,比较有趣。





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数字音量控制本身不使用电位器,但不意味着不可以使用电位器,数字音量控制+模拟电位器调节电平是可以同时进行的。


举个例子,数字输出电平减少6db,同时模拟电位器衰减6db,那么总的结果就是-12db。

























发表于 2018-1-31 18:50 | 显示全部楼层 来自 广东省江门市江海区
太牛逼了,完全看不懂,有看懂的pm一下
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 楼主| 发表于 2018-1-31 19:48 | 显示全部楼层 来自 山东省临沂市
钱先生 发表于 2018-1-31 18:50
太牛逼了,完全看不懂,有看懂的pm一下

感觉还是要发隔壁。
绿坛现在各种菜鸟灌水,不懂装懂。
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发表于 2018-1-31 19:49 | 显示全部楼层 来自 新疆乌鲁木齐市
调音量用软件(数字)不是很好吗,有人能听出来损失和染色吗

关键是,这样可以少一些电路元件的失真

电脑多少年了都是这样调音量的,一点不新鲜
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发表于 2018-1-31 20:31 | 显示全部楼层 来自 北京市
以你举的例子来说,32bit dac能提供6*32=192db的动态范围,就算衰减45db,还有147db。也就是说数字音量调整的精度完全够用
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 楼主| 发表于 2018-1-31 20:34 | 显示全部楼层 来自 山东省临沂市
okcomputer 发表于 2018-1-31 19:49
调音量用软件(数字)不是很好吗,有人能听出来损失和染色吗

关键是,这样可以少一些电路元件的失真

不升位动态范围损失很明显,尤其是低音量
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发表于 2018-1-31 20:40 | 显示全部楼层 来自 浙江省台州市
我买的这个数字音量是用DAC的阶梯电阻做音量控制的
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 楼主| 发表于 2018-1-31 20:42 | 显示全部楼层 来自 山东省临沂市
开车 发表于 2018-1-31 20:31
以你举的例子来说,32bit dac能提供6*32=192db的动态范围,就算衰减45db,还有147db。也就是说数字音量调整 ...

那其实是录音的算法。还原还是有轻微误差,不过已经很小了。数字部分基本精度够了,关键是模拟部分底噪的较量。
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 楼主| 发表于 2018-1-31 20:47 | 显示全部楼层 来自 山东省临沂市
clory98 发表于 2018-1-31 20:40
我买的这个数字音量是用DAC的阶梯电阻做音量控制的

那其实还是属于电位器,文章里的第四种
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发表于 2018-1-31 20:49 | 显示全部楼层 来自 广西钦州市
这就完结了?那chord那个又是怎么回事
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 楼主| 发表于 2018-1-31 20:51 | 显示全部楼层 来自 山东省临沂市
baiduakg 发表于 2018-1-31 20:49
这就完结了?那chord那个又是怎么回事

写了被我删了,官网THD+N是-127.5db
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发表于 2018-1-31 21:39 | 显示全部楼层 来自 北京市
我认为楼主的分析已经很到位了,实际上1uV也就是信噪比大概为130dB的解码芯片的噪声。现在关键就是找一些资料,能查到电阻电位器的噪声
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发表于 2018-1-31 21:44 | 显示全部楼层 来自 北京市
找了张图,来源可靠性不保证。。供参考
12.png
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发表于 2018-1-31 22:02 | 显示全部楼层 来自 浙江省台州市
就是这个
迄今为止,最高级的音控形式,当属各方面性能都趋于完美的R-2R权电阻网络构建的音量控制。这种音控方式源自于D/A转换器,阻抗恒定的R-2R权电阻网络使得这种音控方式成为目前唯一实现频率特性与音量位置无关并得到实际应用的理想音控方式。为便于讨论,我们暂且称这种由R-2R权电阻网络为主组成的音量控制器为D/A式音量控制。在D/A式音量控制中,输入的音频电压首先被转换为按照二进制权重等比例递减的音频电流(V-I转换),然后通过外部控制数据来切换R-2R权电阻网络的合成输出电流,最后再通过高性能放大器把音频电流再转换成音频电压(I-V转换),完成近乎理想的音频电压幅度调节。音频信号被转换成电流后,在低阻抗R-2R网络中进行音量变换时不会再受外部干扰,因此能保持极高的信号纯度。D/A式音量控制没有信号时有宛如深海般的寂静,不像普通电位器,用手稍稍接近都能在喇叭中听到哼哼作响的干扰声。在D/A式音量控制器中,音量的最小变化量取决于控制位数,10比特时,可以实现1024级音量变化。与传统电位器相比,D/A式音量控制器的音质与音量位置高低完全无关,即便在很小音量位置,也能传送出非常丰富的细节,保持饱满丰润的音色。

D/A式音量方式出现后,有实力的Hi-End厂家都早早地把音量控制技术之争的主战场纷纷移至研究方式各异的D/A式音量,在沿用传统电位器的低端厂家面前迅速形成声音品质上的鸿沟,不动声色地摆脱竞争上的纠缠。可怜处于技术低端的厂家就只能用购买越来越昂贵的电位器型号,试图让人相信其产品音质还在随之提高,可惜再昂贵的电位器也无法克服其机理上的缺陷,音量从高调低时音色随之晦涩、音场随之收缩的状况与用D/A音量的产品始终阳光般开扬的音色对比,犹如恶梦缠绕,挥之不去,成为很多厂家压在心头的难言之痛。

D/A式音量控制器的缺点是高成本,为控制和显示音量值,需要有显示器件和微电脑芯片协同工作,技术难度高,在DIY领域基本上了无踪迹,鲜为人知。
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发表于 2018-1-31 22:23 | 显示全部楼层 来自 浙江省台州市
passionsoul 发表于 2018-1-31 22:15
这么神奇,是否方便推荐给产品?

惊雷430就是用这玩意的
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发表于 2018-2-1 09:16 | 显示全部楼层 来自 内蒙古呼和浩特市
本帖最后由 phoexi 于 2018-2-1 09:20 编辑

一个动态范围120dB的DAC 加上-40dB的数字音量 最终输出的动态范围就只剩下大约80dB了

同理一个动态范围120dB的前级 加上-40dB的模拟音量 绝大多数电路设计情况下 最终输出的动态范围就只剩下大约80dB了


当然了 某些特殊设计的前级能在衰减音量的同时 衰减一部分自身底噪 实际情况会比上面的要好

所以说 用数字音量还是模拟音量 主要看是解码的动态范围大还是前级的动态范围大
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 楼主| 发表于 2018-2-1 09:49 | 显示全部楼层 来自 山东省临沂市
phoexi 发表于 2018-2-1 09:16
一个动态范围120dB的DAC 加上-40dB的数字音量 最终输出的动态范围就只剩下大约80dB了

同理一个 ...

后面的编辑和标红很严谨,也是很好的补充。无忌论坛的那个贴,测试的模拟前级就会底噪变化,THD曲线不是直线,而数字前级的THD一定是等比直线,因为DAC的底噪在一定温度下是固定不变的。
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 楼主| 发表于 2018-2-1 10:40 | 显示全部楼层 来自 山东省临沂市
passionsoul 发表于 2018-1-31 23:35
那个可以的
但是那个是耳放
咱说的应该是解码器吧。。。

大部分耳放集成了电位器。

纯后级在耳机系统中不多,有by pass的,比如SRM T8000静电耳放。
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 楼主| 发表于 2018-2-1 19:57 | 显示全部楼层 来自 山东省青岛市
passionsoul 发表于 2018-2-1 10:56
我的意思是能不能推荐个这种电流设计前级的解码器产品,不是耳放

vega G2是r2r前级,具体我忘了
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发表于 2018-2-1 20:39 | 显示全部楼层 来自 台湾省彰化县

好的類比前級 還是必要的,音訊的匹配與銜接很基本,也很重要
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