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VGP前副审查长山之内正大佬解说DAC基础知识

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发表于 2019-2-12 18:01 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 四川省攀枝花市
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。
DAC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。
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。
DAC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。

 楼主| 发表于 2019-2-12 18:03 | 显示全部楼层 来自 四川省攀枝花市
【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。
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。
CHORD「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。



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 楼主| 发表于 2019-2-12 18:04 | 显示全部楼层 来自 四川省攀枝花市
【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。
「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。
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。
Playback 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。
dCS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。

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发表于 2019-2-12 18:23 | 显示全部楼层 来自 浙江省
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
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发表于 2019-2-12 19:51 | 显示全部楼层 来自 浙江省
那个变调应该翻译为 调制
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发表于 2019-2-12 20:40 | 显示全部楼层 来自 湖南省长沙市
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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