ЦАП в деталях: дельта-сигма, R2R и философия NOS

За тридцать с лишним лет цифровой звуковой техники сложились три принципиально разных способа превратить набор сэмплов в непрерывное напряжение — дельта-сигма-модуляция, резистивная матрица R2R и подход non-oversampling. Каждый существует сегодня, у каждого есть достижения и компромиссы, и понимание этих компромиссов важнее любого спора о том, какая архитектура «правильная».

Задача ЦАП формулируется одной строчкой: получить на вход поток сэмплов и выдать на выход аналоговое напряжение, которое следует за их огибающей с минимальными искажениями и шумом. Сложность в том, что простой формулировке соответствует множество математических трактовок, и инженерные школы за десятилетия разошлись принципиально. Эта статья — попытка разложить три современных подхода на детали без упрощений, с примерами реализаций, которые сегодня собираются в реальное железо.

Для общей картины и базовой терминологии — функции ЦАП, форматы PCM и DSD, понятия частоты дискретизации и битности — полезно держать рядом нашу обзорную статью «Всё, что вам необходимо знать о ЦАП». Здесь мы сосредоточимся на различиях между архитектурами и на том, что это значит на практике.

Что должен сделать ЦАП и почему архитектура — это компромисс

Цифровой звук — это последовательность мгновенных отсчётов амплитуды, снятых с равными промежутками. CD-формат — 44 100 отсчётов в секунду, 16 бит на каждый. Hi-res — 96 кГц, 192 кГц, 384 кГц, до 24 или 32 бит. DSD-формат — иной поток: одноразрядный сигнал на частоте 2,8224 МГц и выше. Чтобы превратить любую из этих последовательностей в гладкое напряжение, ЦАП должен решить две задачи одновременно: восстановить значение для каждого момента времени между отсчётами и срезать всё, что лежит выше половины частоты дискретизации (частоты Найквиста), потому что иначе в звуковом диапазоне появятся зеркальные копии исходного сигнала.

Эту вторую задачу принято называть реконструкцией. Решений у неё, по большому счёту, два: либо строить аналоговый фильтр после преобразования, который физически срежет ультразвук, либо предварительно повысить частоту дискретизации (oversampling) так, чтобы реконструирующий фильтр работал уже в куда более удобной полосе. Большинство современных ЦАП-устройств выбирают второй путь — он позволяет применить пологий цифровой фильтр вместо аналогового кирпича. Но именно цифровой реконструирующий фильтр и становится источником одного из главных предметов спора: его поведение во временно́й области добавляет к транзиентам звон (ringing) до и после атаки. Слышно его или нет — зависит от записи, ушей и системы, но как факт он измерим.

Параллельно нужно справиться с точностью самой амплитуды. 16 бит — это 65 536 уровней, 24 бита — больше шестнадцати миллионов. Удержать миллионы дискретных уровней реальными резисторами требует исключительной точности их сопротивления. Архитектура ЦАП — это, по сути, ответ на вопрос: как обойти физическую невозможность сделать абсолютно точные резисторы, или как смириться с ней, выбрав другие компромиссы. Дельта-сигма, R2R и non-oversampling предлагают три разных ответа.

Дельта-сигма: математический трюк, ставший индустриальным стандартом

Подавляющее большинство ЦАПов, выпущенных в мире за последние двадцать лет, построены на дельта-сигма-архитектуре. Принцип, который кажется парадоксальным: вместо того чтобы пытаться выдать многоуровневое напряжение с высокой точностью, чип переводит весь сигнал в одноразрядный (или малоразрядный) поток на колоссально высокой частоте — в десятки или сотни раз выше частоты дискретизации источника. Полученный поток фильтруется и усредняется уже на выходе, и среднее значение оказывается тем самым многобитным сигналом.

Главная хитрость — техника, называемая noise shaping (алгоритм формирования шума): ошибка квантования, которая в одноразрядном потоке огромна, не размазывается равномерно по спектру, а целенаправленно вытесняется в ультразвуковую область, выше слышимого диапазона. Там её и срезает выходной фильтр. На бумаге результат впечатляет: динамический диапазон 130 дБ и выше, гармонические искажения на уровне –120 дБ и ниже, и всё это — при копеечной себестоимости кремниевого кристалла. Именно поэтому дельта-сигма победила экономически — она делает технически выдающийся ЦАП на одном чипе размером с ноготь.

Современные чипы: ESS Sabre, AKM Velvet Sound, Burr-Brown

Сегодня рынок дельта-сигма-чипов делят несколько производителей. ESS Technology с серией Sabre — флагман ES9038Pro с восемью независимыми каналами и пиковым динамическим диапазоном 140 дБ; младший ES9039Pro с архитектурой HyperStream IV; популярный в стерео-аппаратуре среднего уровня ES9039Q2M. Asahi Kasei Microdevices (AKM) с линейкой Velvet Sound — после пожара на заводе в октябре 2020 года компания вернулась с двухчиповым решением, где цифровой фильтр и дельта-сигма-модулятор вынесены в отдельный AK4191, а сам выходной DAC — флагман AK4499EX или AK4498EXVQ. Texas Instruments (марка Burr-Brown) — серии PCM1795, PCM1796, реже встречающиеся в новинках, но сохраняющиеся в премиум-решениях. Cirrus Logic с CS43198 — обычно ставится сразу несколькими чипами параллельно.

Различия в характере звука между ESS и AKM давно стали предметом обсуждения в специализированной прессе. Stereophile и Hi-Fi News в разное время описывали ESS Sabre как «детальный, быстрый, с акцентом на высокие частоты», а AKM Velvet Sound — как «более тёплый, мягкий, аналоговый». Но это обобщения: финальный звук определяется не столько чипом, сколько схемотехникой обвязки — тактовой системой, питанием, токово-напряжённым каскадом, выходным буфером.

В каталоге Hegel флагман D50 построен вокруг одного ES9039Q2M, вынесенного на отдельную плату с собственным экранированием и тремя тактовыми генераторами. В Cary Audio модель DAC-200ts идёт по пути параллельной работы четырёх чипов AK4490 — восемь независимых каналов, разделённых на тру-балансные XLR и RCA. У Audiolab в D9 и у Matrix Audio в Element X2 — ESS Sabre с акцентом на современное USB-подключение и потоковую функциональность. Atoll в DAC300 и Eversolo в DAC-Z10 представляют разные ценовые этажи одной и той же дельта-сигма-парадигмы.

Где у дельта-сигмы слабые места

Чисто технически чипы Sabre и Velvet Sound — лучшие в мире измерительные приборы. Их аргументированно критикуют по другому пункту: за нелинейность. Архитектура использует обратную связь и контур формирования шума высокого порядка, и поведение этих петель зависит от уровня сигнала. У большинства дельта-сигма-конвертеров наблюдается рост гармоник около –6…–10 дБFS и проседание линейности при очень малых уровнях — именно тех, на которых живёт хвост реверберации, эхо в зале, плавно затухающая нота струнного инструмента. Объективно ошибка крошечная, но субъективно её часто описывают как «потерю воздуха» и «спрямление микродинамики».

Второй пункт — обязательное оверсэмплирование и связанный с ним цифровой реконструирующий фильтр. На записях с резкой атакой и тихим фоном (фортепиано без педали, перкуссия, акустическая гитара) звон фильтра вокруг транзиента иногда воспринимается как искусственная «жёсткость» или «цифровая глянцевитость». Часть слушателей этого не слышит вовсе, часть категорически не переносит — и именно эта группа исторически тянулась к альтернативам.

R2R и мультибит: прямой метод родом из восьмидесятых

Резистивная матрица R2R — это математический ответ ровно на ту задачу, которую дельта-сигма обходит. Архитектура состоит из лестницы прецизионных резисторов двух номиналов (R и 2R) и набора электронных ключей: каждый бит входного слова подключает или отключает свой разряд лестницы, и закон Кирхгофа на выходе суммирует токи строго по двоичному весу. 16-битный сигнал требует 16 ступеней лестницы, 24-битный — 24. Никаких передискретизаций и аглоритмов формирования шума: значение, записанное в цифре, превращается в напряжение напрямую, за один такт.

Именно так работали первые CD-проигрыватели середины 1980-х: чипы Philips TDA1540, TDA1541 и TDA1541A, а также Burr-Brown PCM63, PCM1702 — все были многоразрядными лестничными ЦАПами. Они до сих пор живут на вторичном рынке и в DIY-сообществе как фетиш, и причина проста: при достаточной точности резисторов R2R обеспечивает идеальную линейность по всему динамическому диапазону, в том числе на самых тихих участках. Нет петли обратной связи — нет её зависимости от уровня сигнала.

Слабых мест у R2R два, и они прозаичны. Первое — стоимость точных резисторов. Чтобы лестница работала на полной 24-битной разрядности без искажений, отклонения номиналов должны быть не больше единиц ppm (миллионных долей). Такие резисторы либо лазерно подгоняются на заводе (как делал Burr-Brown в PCM1704), либо набираются вручную из дискретных компонентов с подбором парами. Второе — старение: со временем сопротивления ползут, и линейность нижних разрядов деградирует. Поэтому профессиональные производители современных R2R-конвертеров чаще всего комбинируют дискретную резистивную матрицу с программируемой логикой FPGA, которая динамически калибрует ошибки.

На рынке pult.by чистые R2R-устройства представлены сдержанно — массовый аудиофильский R2R сегодня сосредоточен в нишевых брендах, которых наш каталог не включает. Но архитектурно близкие подходы, использующие дискретное аналоговое преобразование вместо чипа, в каталоге есть: это, прежде всего, FPGA-решения dCS, Chord Electronics, PS Audio и Playback Designs — о них отдельный раздел ниже. А R2R-философия в её классическом виде живёт в большом количестве ламповых ЦАП-проектов и в моделях вроде Audio Note DAC, Border Patrol, Soekris — это другой сегмент рынка, заслуживающий отдельного материала.

NOS — non-oversampling: радикальный отказ от пересчёта

Идея non-oversampling, или NOS, родилась в Японии в конце девяностых. Инженер Рюичи Кусуноки (Ryuichi Kusunoki) опубликовал в журнале MJ Stereo Technic схему ЦАП на чипе Philips TDA1543 без цифрового фильтра и без передискретизации. Сигнал шёл с CD на лестничный ЦАП напрямую, на родной частоте 44,1 кГц, а реконструкция доверялась мягкому аналоговому фильтру первого порядка — либо вовсе не делалась.

Аргумент сторонников NOS таков: цифровые реконструирующие фильтры, какими бы изощрёнными они ни были, всегда вносят временны́е искажения вокруг транзиентов. Pre-ringing — звон до атаки — не существует в природе акустических звуков, его не может быть в принципе: нота никогда не звучит до того, как по струне ударили. Линейно-фазовый FIR-фильтр, обязательный спутник любого оверсэмплирования, неизбежно создаёт этот pre-ringing, потому что таково свойство симметричной импульсной характеристики. Минимально-фазовая разновидность переносит звон после атаки, что психоакустически маскируется самим звуком, но даёт фазовый сдвиг по диапазону. NOS выбирает третий путь: убрать цифровой фильтр совсем.

Платой становятся два эффекта. Первый — спад на верхах: к 20 кГц без оверсэмплирования отклик падает примерно на 3 дБ за счёт sinc-функции импульсной характеристики самого ЦАПа. Для большинства слушателей это либо неслышно, либо воспринимается как мягкость, по словам редакции Stereophile, ассоциирующаяся с винилом. Второй — ультразвуковые зеркальные копии (image), которые в NOS не вырезаются и попадают в выходной сигнал. На запись их не слышно, но они нагружают высокочастотные секции усилителя и могут возбуждать ВЧ-динамики на больших уровнях — поэтому NOS-ЦАПы обычно сопровождаются мягким аналоговым ФНЧ (Фильтром Нижних Частот).

На современном рынке чистый NOS остаётся нишевым выбором, ассоциирующимся с ламповым выходом и философией винтажного звука. Куда более распространён компромиссный подход: ЦАП с переключаемыми режимами фильтра, среди которых один помечен как «NOS» или «No filter». Такой переключатель есть в Marantz, в некоторых аппаратах TEAC и Esoteric, в моделях Accuphase. Он даёт возможность сравнить звучание архитектуры «как было задумано» и архитектуры «без вмешательства» на одной и той же системе, на одной и той же записи. Этот эксперимент — пожалуй, самый показательный способ понять, имеет ли весь спор практическое значение лично для вас.

FPGA как третий путь: собственные архитектуры

Готовые чипы решают типовую задачу. Производители уровня референсного аудиофильского сегмента всё чаще отвергают типовую задачу как ограничение и реализуют преобразование на программируемой логике (FPGA) — Field Programmable Gate Array, где инженер пишет код, который определяет поведение конвертера на уровне отдельных тактов. Преимущества: полный контроль над фильтрами, алгоритмом формирования шума, обработкой DSD; возможность обновлять прошивку годами без замены железа. Цена входа: серьёзный R&D и стоимость самих FPGA от Xilinx или Intel/Altera.

Chord Electronics: Pulse Array и WTA-фильтр

Архитектуру Chord Electronics с конца девяностых разрабатывает инженер Роб Уоттс (Rob Watts). Его подход — это собственный фильтр WTA (Watts Transient Aligned), реализованный на FPGA, и оригинальная выходная ступень Pulse Array, которая ведёт себя не как обычный 1-битный модулятор, а как массив параллельных импульсных элементов. Идея в том, чтобы сделать реконструкцию транзиентов как можно точнее во временно́й области: WTA-фильтр работает с гигантским числом коэффициентов — 1024 в первом DAC64 2000-го года, 26 368 в Hugo TT, 164 000 в флагманском Choral DAVE — на 166 параллельных DSP-ядрах. По данным Stereophile, алгоритм Noise Shaping DAVE имеет 17-й порядок и эквивалент 50-битного динамического диапазона в звуковой полосе.

dCS: Ring DAC

Английская dCS работает над своей разработкой Ring DAC с 1980-х годов. Это гибридная архитектура: внутри присутствует резистивный массив, но привычной двоично-взвешенной лестницы там нет. Управляющая FPGA-логика выбирает, какие именно резисторы будут активны на каждом такте, причём выбор делается случайным образом — так, чтобы любая погрешность номиналов усреднялась во времени и не имела корреляции с сигналом. Текущее поколение APEX в линейке Vivaldi — результат многолетней доработки: переработанная плата Ring DAC, новый выходной каскад, дифференциальный режим работы. Эталоном линейки остаётся Vivaldi APEX DAC в составе четырёхкомпонентной системы с отдельным мастер-клоком и апсемплером.

PS Audio DirectStream: всё через DSD

Подход PS Audio к флагманскому конвертеру связан с инженером Тэдом Смитом (Ted Smith), бывшим разработчиком Microsoft. Логика модели DirectStream DAC MK2 построена на том, что любой входящий сигнал — PCM любого разрешения, DSD любого порядка — приводится внутри FPGA к одному формату: одноразрядному потоку DSD на двадцатикратной частоте. Дальше остаётся только пассивный аналоговый ФНЧ. Никаких внешних чипов преобразования в аппарате нет, аналоговый каскад делает трансформатор. Идея в том, что чем меньше преобразований формата на пути сигнала и чем проще аналоговая ступень — тем меньше источников искажений.

Playback Designs и индустрия FPGA-конвертеров

Playback Designs Андреаса Коха (Andreas Koch) — отдельная история. Кох в восьмидесятых разрабатывал первые в мире асинхронные конвертеры частоты дискретизации для Studer ReVox и участвовал в комитетах по стандартизации SACD совместно с Sony и Philips. Архитектура моделей MPD-8 Dream DAC и младших Edelweiss основана на собственной FPGA-логике, где PCM и DSD приводятся к промежуточной высокочастотной DSD-форме фирменным алгоритмом SRC (sample rate conversion). Похожим путём — собственная схема, дискретный аналог, обновляемая прошивка — идут Soulution в модели 760 D/A converter, Vitus Audio в линейке Mk.II, а также T+A со своим двухпутевым решением, реализующим параллельно полностью разделённые тракты для PCM и для DSD — пример такого подхода в каталоге это MP 200 G3.

Цифровые фильтры — где спор слышен невооружённым ухом

Если архитектура — это выбор инженера за пять лет до запуска модели, то цифровой фильтр — это выбор владельца перед каждым прослушиванием. Большинство современных ЦАПов на чипах ESS и AKM позволяют переключать несколько режимов фильтрации, и разница на хорошей записи бывает слышна вполне отчётливо. Терминология производителей разнится, но фактически речь о четырёх вариантах.

Linear phase, fast roll-off — классический симметричный фильтр с крутым срезом у частоты Найквиста. Постоянная групповая задержка для всех частот, минимальное проникновение зеркальных копий, но pre- и post-ringing вокруг транзиентов. Minimum phase, fast roll-off — несимметричная импульсная характеристика, звон только после атаки. Удобнее для перкуссии и струнных, но даёт фазовый сдвиг в верхнем диапазоне. Slow roll-off в обеих фазовых разновидностях — пологий срез, меньше звона, но больше ультразвуковых артефактов. Apodizing — фильтр, который в дополнение к реконструкции пытается компенсировать pre-ringing, возникший на этапе АЦП ещё при записи; популярный режим в Meridian, Esoteric, в некоторых моделях Chord.

Практический совет — слушать переключение на знакомой записи с резкими атаками и тихим фоном. Соло гитары, фортепиано, акустический бас. На потоковом материале с тяжёлой компрессией и плотной аранжировкой разница между фильтрами обычно теряется в общей плотности.

Что слышит ухо и что показывают приборы

Объективное измерение всегда уживается с субъективным восприятием тяжело. Современный дельта-сигма-ЦАП на ES9038Pro имеет THD+N на уровне –120 дБ, динамический диапазон 130 дБ и неотличимую от прямого провода АЧХ — по любому стандартному тесту это безупречный прибор. R2R-конвертер аналогичного бюджета часто измеряется хуже: THD на уровне –100 дБ или даже –90 дБ. Однако в слепых сравнениях с переключаемой архитектурой — например, на ЦАПах Bricasti, где обе схемы реализованы внутри одного корпуса и переключаются на лету, — слушатели регулярно отдают предпочтение R2R, особенно на акустической музыке.

Объяснений у этого несколько. Первое: ухо чувствительно к корреляции искажений с сигналом, а не к их абсолютному уровню. Чётные гармоники, ровно следующие за музыкальной нотой, воспринимаются как «теплота» и «телесность», а не как искажение. Дельта-сигма-чипы с большой обратной связью часто дают спектр распределённый, без выраженного второго или третьего порядка — звук «нейтральный» в смысле спектрограммы и одновременно «нейтральный» в смысле слушательского комфорта (или его отсутствия). Второе: на хвостах нот, в реверберационных деталях ниже –40 дБFS, нелинейность дельта-сигмы вступает в игру именно тогда, когда сцена должна «дышать». R2R здесь линеен по построению.

Логично, что выбор архитектуры коррелирует с жанром музыки и характером записи. Симфонический оркестр, акустическая камерная музыка, джаз малыми составами, вокал без обработки — на этом материале сторонники R2R и NOS чаще оказываются правы. Электронная музыка с плотной аранжировкой, рок, метал, поп — на этом материале превосходство дельта-сигмы по динамическому контрасту и плотности часто более существенно, чем нюансы тембральной природы. Это, разумеется, обобщение — на конкретной системе всё может оказаться наоборот.

Как выбрать архитектуру под свою систему

Любая «правильная» рекомендация по архитектуре ЦАП обманывает: финальный звук определяется не одним блоком, а связкой источник — конвертер — предусилитель — усилитель — акустика — комната. Менять ЦАП в системе, где узким местом является, скажем, питание усилителя или расстановка акустики, — занятие низкой отдачи. Но если по другим звеньям уже сделано всё разумное, и текущий ЦАП воспринимается как ограничитель — тогда выбор архитектуры становится осмысленным разговором.

Несколько практических принципов. Если система уже звучит ярко и форвардно (например, акустика с металлическими ВЧ-динамиками и яркий ламповый предусилитель), уход в сторону AKM Velvet Sound или R2R-подобной архитектуры с большой вероятностью смягчит баланс. Если система звучит мягко и слегка вяло (тёплая акустика, ламповый оконечник, виниловые предпочтения у слушателя) — современный ESS Sabre добавит атаки, скорости, верхней детальности. Если основной источник — стриминг с переменным качеством материала, а слушаются преимущественно потоковые сервисы — переплата за топовый R2R или FPGA-флагман окажется неоправданной, нужная плотность достигается на дельта-сигма-чипе среднего класса. Если основной источник — собственная коллекция hi-res, винтажные записи и live-альбомы класса Reference Recordings или 2L, имеет смысл думать о R2R, NOS-режимах и FPGA-архитектурах.

Для практической оценки моделей по ценовым этажам и параметрам подключения — отдельный материал «Как выбрать ЦАП: USB, сетевой, настольный». Архитектура — это первый уровень выбора; конкретная модель, форм-фактор и набор входов — второй. На референсном этаже каталога живут Accuphase DC-1000, Esoteric Grandioso D1X SE с фирменными дискретными ЦАП-блоками Master Sound Discrete, флагман dCS Vivaldi APEX и Chord Choral DAVE. На средне-высоком — модели от TEAC, Hegel, Naim и других. Каталог конвертеров целиком доступен отдельной товарной категорией — ссылка в блоке смежных материалов ниже.

Архитектура как часть звукового почерка, а не критерий выбора

Спор «дельта-сигма против R2R» в индустрии не закончится, потому что у обеих сторон есть рациональные аргументы. Дельта-сигма доминирует экономически и измерительно — это объективный факт. R2R и NOS живы и востребованы, потому что у части слушателей их характер звука вызывает большее эмоциональное вовлечение — это тоже факт, просто из другой плоскости. FPGA-архитектуры пытаются обойти ограничения и того и другого подхода, и часто это удаётся — но за свою цену.

Полезное правило: архитектура — это не критерий выбора, а часть характера, который нужно услышать. Лучшее, что можно сделать перед серьёзной покупкой, — провести час в шоуруме с тремя разными ЦАПами разных архитектур на знакомой записи, на знакомой системе, и в режиме AB. Цифры из datasheet после этого окажутся вторичны.

Материал подготовлен экспертами pult.by. Данные основаны на официальной технической документации производителей и нашем практическом опыте работы с техникой в шоуруме.

© pult.by. Все права защищены.
Копирование, распространение и использование материалов допускается только при размещении активной индексируемой гиперссылки на источник.