Мультибит VS ДельтаСигма ЦАПы

Мультибит / сигма - дельта / NOS-DAC / Sabre DAC

Споры вокруг этой темы не утихают по сегодняшний день, хотя производители ЦАПов всё давно без нас решили, и, по сути, вынесли мультибитникам приговор. ES9018, в свою очередь, грозится приговорить всех остальных.

И те, и другие, и третьи (теоретически) обладают нелинейными искажениями ниже порога чувствительности слуха. Однако различия в звучании замечает даже не тренированный слушатель!!!

Желание разобраться в этом казусе и является целью этой статьи.

Анализ формы

Форма сигнала мультибита

Трудности аналоговых трактов

Мифы и реальность NOS - ЦАПов

Sabre DAC ES9018 vs PCM1704U-K

Таблица сравнения звучания Дельта сигма ES9018 и мультибита PCM1704

Таблица всех мультибитных ЦАПов за всю историю человечества

Смотрите так же:

Цапы SABRE Audiophile DAC

Цапы Texas Instruments DAC

Цапы Analog Devices DAC

Точность передачи ФОРМЫ

В качестве отправной точки приведу выдержку из книги Ирины Алдошиной " Основы психоакустики".
...Необычайна чувствительность слуха к временным различиям (форме волны) и длительности звука. Чувствительность слуха к частоте, интенсивности и длительности связаны друг с другом. Слуховой аппарат имеет удивительную дифференциальную способность обнаруживать небольшие различия между сходными звуками по всем параметрам: интенсивности, частоте, временной структуре и длительности...

Итак, первое, на что нам следует обратить внимание, это точность передачи ФОРМЫ.
Что же, давайте посмотрим, что нам предлагают сигма - дельта ЦАПы, рассмотрим в порядке улучшения их ТТХ

Для тестирования использовался уникальный метод вычитания "живого" звукового сигнала в реальном времени. Несмотря на всю его очевидность, им, по-видимому, либо никто не пользовался, либо не публиковал результатов. Итак, перед вами совершенно уникальный материал.

Из выходного тока тестируемого сигма - дельта ЦАПа аппаратно вычитался эталонный ток мультибитника (отобранного экземпляра PCM1704UK, имеющего гарантированную точность 0.001%).

Временная задержка компенсировалась в звуковом редакторе (грубо), а затем с помощью ПЛИС (точно).
Разницу (представляющую собой погрешность воспроизведения формы волны) можно было не только увидеть на осциллографе, но и послушать.

Интересно, что для CS 4398 (на мой взгляд, одного из самых интересных с/д по звучанию) метод оказался явно избыточным, его погрешность было видно "невооружённым глазом".

хорошо видно отличие огибающей от прямоугольного импульса.
Авторы применили какой-то совершенно "особенный" цифровой фильтр, с разным временем "вперёд" и "назад".

ниже - результат вычитания (ошибка)

ниже - профильтрованная цифровым ФНЧ осциллографа формы
на выходе CS 4398 (жёлтый) и пофильтрованная тем же способом ошибка (синий)

Ошибка передачи формы даже на низких частотах около 2%, однако.
несмотря на такой ужас - у прибора отменный THD
(порядка -107дБ, что в 2 раза лучше любого мультибитника)

С помощью эквалайзера (в звуковом редакторе) удалось немного уменьшить
амплитуду погрешности, что свидетельствует о нелинейности АЧХ и фазовой характеристики CS 4398.
Тем не менее, на слух звучание CS4398 - открытое, свободное, присутствует лишь лёгкая окраска на ВЧ.

у АК4399 с цифровым фильтром всё оказалось гораздо лучше.
Симметричная характеристика фильтра,

и почти симметричный сигнал ошибки.

АК4399 показал значительно меньшую погрешность формы, около 0.2%,
вся энегрия ошибки находилась в ВЧ области (выше 5-7 кГц)
и на слух воспринималась как неестественно шипящие и "замазанные" ВЧ.
Звучание АК4399 до некоторой степени даёт то ощущение "пустоты", которое должно присутствовать на фоне грома инструментов в аппаратуре премиум-сегмента.
Неплохо отыгрывает неплотную классику, вокал, неагрессивные акустические инструменты. Однако нижний регистр вялый, а общее ощущение от прослушивания слишком ровное и спокойное, что называется "без эмоций". Через очень небольшое время начинаешь тосковать по присущей настоящему звуку чёткости, остроте и энергии. Так проявляет себя нехватка разрешения ВЧ и вялая атака (по-видимому, следствия некачественной цифровой фильтрации)

PCM 1794

Результаты вычитания токов будут получены позже, пока же прошу ознакомиться с осциллограммами и общими соображениями.
Здесь и далее желтым отрисован мультибитник PCM1704, на выходе которого ФНЧ 3-го порядка, а синим - сигма-дельта PCM1794. PCM1704 включен БЕЗ цифрового фильтра.

Меандр 1кГц

Нетрудно видеть, что по причине
цифровой фильтрации внутри PCM1794 его
переходной процесс носит колебательный характер.

Переходной процесс PCM1704 так же слегка колебательный,
но колебания есть только после завершения фронта,
и обусловлены выходным аналоговым фильтром.

Дельта - импульс длительностью один отсчёт.

Импульс от сигма-дельты как будто
несколько шире, с теми же колебунами.

Дельта - импульс длительностью два отсчёта

В принципе ничего нового, если не считать,
что выбросы уменьшились по амплитуде.

Два разнополярных дельта - импульса длительностью
один отсчёт, с паузой один отсчёт.

Уже интереснее, в сигнале с-д между импульсами появился
колебун нехарактерной для ЦФ частоты, примерно 40кГц.
Что это такое, выяснить не удалось.

Два разнополярных дельта - импульса длительностью
один отсчёт, с паузой два отсчёта.

Много интереснее!

Импульсы, чётко раздельные на мультибитнике,
в с-д сливаются в сплошной звон!
Неудивительно, что есть различие в звучании, если
разницу видно даже невооружённым глазом!

Те же импульсы, с-д, шаг по горизонтали
в два раза подробнее.

Те же импульсы, мультибитник, в цепь включен
цифровой фильтр (4х оверсэмплер) DF1706.

С помощью оверсэмплинга мультибит стал очень похож
на с-д, только колебуны стали длиннее чем у с-д!
Апсэмплинг, как видим, свёл на нет основное
преимущество мультибитника!

Те же импульсы, мультибитник, асинхронный ресэмплинг
44 кГц в 48 кГц

Тихий ужас... форма дельта-импульсов изменилась
до неузнаваемости, и появилась явная ассиметрия.
Надо полагать, что любой асинхронный ресэмплинг
до более высокой частоты (как это сделано, например,
в том же Burmester Musiccenter 111) будет обладать
схожими "особенностями"

Те же импульсы, мультибитник, без апсэмплинга.

Осциллограммы выше наглядно демонстрируют преимущества мультибитника относительно передачи формы волны.
Но, напомню, только мультибитника без цифрового фильтра.

Выводы

     1. на примере AK4399 становится совершенно ясно, что не стОит строить выводы о качестве звучания, смотря на экран осциллографа, увы.
      2. Разница в звучании ЦАПов в значительной мере кроется в их цифровых фильтрах
      3. Мультибитный ЦАП без цифровой фильтрации (Oversamling, Upsampling) более всего подходит для неискажённой во времени передачи аудиосигнала ("по горизонтали"). Однако, учитывая недостаточную с точки зрения слуха точность "по вертикали" наш выбор неочевиден. Не будем также забывать, что без применения оверсэмплера спектр мультибитника обладает зеркальными относительно частоты дискретизации полосами. Поэтому усилитель должен обладать ультрамалыми интермодуляционными искажениями в области частот до 60-80 кГц. С применением же оверсэмплера основное преимущество мультибита сводится на нет.

Трудности аналоговых цепей ЦАП

      Безусловно, самую большую опасность представляют мощные ВЧ составляющие на токовом выходе ЦАПа.
Ниже приведены осциллограммы выходного тока PCM1794.
жёлтый канал - ток
          синий канал - выходной сигнал ЦАПа
          цена деления по вертикали - 0.8 мА / клетку

Видно, насколько выходной ток зашумлён ВЧ составляющими.
Интересно, что вопреки ожиданиям, преобразование
идёт на частоте всего 8Fx. На частоте 64Fx работает
сигма дельта модулятор, который вносит небольшой
"уточняющий довесок", а так же всю "волосатость".

Тот же мусор и глитчи, 100 нсек / клетку.
Темп переключения 2.8 МГц (на хайрезе будет 6 МГц),
плюс мгновенные скачки тока.
И Это нужно проинтегрировать с точностью 1 / 300000 !!!
Мало кому это удаётся, и неудивительно, что все
"выхлопы" ЦАПов звучат настолько по-разному.

Тот же мусор и глитчи, 10 нсек / клетку.
Скачок тока около 1 мА (!!!)
Переходной процесс длится менее 2 нСек!!!
Сколько на самом деле - понять сложно, полоса моего
осциллографа "всего" 200 МГц.

Конечно, выходной сигнал PCM1704 имеет схожие особенности, однако выходной ток его составляет 2 мА против 8 мА у PCM1794, а переключения этого тока, порождающие дополнительные неточности, происходят с гораздо низшей частотой.
"Скачки" выходного тока PCM1704, тем не менее, составляют те же 1-2 мА (в случае без ЦФ) и требуют очень аккуратного интегратора.

NOS - ЦАПы

     Мода на NOS - ЦАПы (ЦАПы, работающие на оригинальной частоте дискретизации и не имеющие цифрового фильтра, повышающего частоту дискретизации, Upsamler'а), похоже, делает новый виток.
     "Возвращение к началу" действительно имеет смысл. Однако, совсем не такой, какой задумывался создателями этого пуристского течения.
     Изначально говорилось "а просто не нужно ничего лишнего, цифровой фильтр в топку и будем слушать CD формат в оригинальном качестве". Сложный аналоговый фильтр - не беда, завал АЧХ 3-5 дБ - ничего, потерпим... В тракте получалось 2-4 ОУ, гора конденсаторов, и от Звука при таком подходе оставались жалкие крохи. К слову, даже фильтр 5-го порядка не восстанавливает должным образом форму аудиосигнала, зеркальные частоты (24кГц и выше), попадающие на вход УМ, ведут к сильным интермодуляционным искажениям. В результате звук действительно разительно отличается от ЦАПа с цифровым фильтром, но зачастую не в лучшую сторону, а куда-то вбок. Шершавый и какой-то дроблёный на части, не слитный. Если пойти честным, "по книжке", способом и изобразить фильтр 9-го порядка на 5 ОУ (пусть даже идеальных), переходная характеристика будет ничем не лучше любой сигма-дельты, "звон" на фронтах и окраска от ОУ и конденсаторов нам обеспечены.
     Как видим, NOS - ЦАПы в классической реализации создают больше проблем, чем решают, без цифрового фильтра получается трудновато. Конечно, ЦФ, такой как DF1706 или подобные ему ИМС - не подарки в смысле звука, и не могут претендовать на уровень Top High End. Однако, мы с вами уже в 21-м веке, где есть разнообразные программные апсэмплеры, работающие значительно лучше. И вот тут NOS - концепция обретает практическое преимущество. Мультибит, простой и качественный ФНЧ, настроенный повыше - и дело в шляпе. С небольшими оговорками, правда. Первое - это всё-таки мультибит, со всеми вытекающими, а второе - компьютер в качестве источника, и заморочки с софтом.

Sabre DAC ES9018 vs PCM1704U-K

     ESS Technology, говоря строго, не относят свои изделия к сигма-дельта преобразователям. Могу подтвердить, различия очень серьёзные, но всё же по принципу работы и параметрам выходного сигнала они ближе к с-д, чем к мультибиту, поэтому я включил Sabre DAC в эту ветку повествования.

     Написанное ниже сравнение являет собой субъективные ощущения человека, долгие годы бывшего приверженцем мультибитных решений, и построившем не один десяток ЦАПов, в т.ч. NOS. Вы, наверное, догадались, о ком речь)
     применения ES9018 у меня не столь обширный, однако в течение 2015г по пути к нирване были сделаны семь вариантов выхлопов. Последний из них имеет глубину ООС несколько миллионов раз, и совершенно лишён собственного почерка, так что, надеюсь, моё описание близко к правде. Тем более, что мои ощущения почти совпадают с мнением людей, слышавших мои изделия.

     Сравнение относится в первую очередь к "взрослым" трактам, и к прослушиванию на АС.
          Однако и к хорошим наушникам тоже применимо.

Приготовленные "в одной кастрюле" ES9018 и PCM1704, характерные особенности:

№	ES9018	PCM1704
1	глубокий и стабильный объём	в основном передний план
2	деликатная и ровная подача	подача несколько агрессивна, звук как будто "выпрыгивает" и "накидывается" на слушателя
3	прекрасная микродинамика и разборчивость, множество мелких, но заметных нюансов, эмоциональная наполненность	нюансы читаются плоховато, поэтому интересные события происходят нечасто, исполнители как будто чего-то "недоговаривают"
4	можно сидеть и без напряжения слушать какой-либо из инструментов	слышен в основном тот, кто громче, на фоне солирующего инструмента нужно потрудиться, чтобы расслышать остальные
5	пространство очерченно очень чётко, между инструментами много воздуха, буквально можно ходить. Возможно, слишком голографично в том смысле, что становится бестелесным (на АС, в наушниках этот эффект отсутствует. Как в значительной мере отсутствует и 3D как таковое). Реверберационная картина прекрасно читаема	образы вполне телесны, но локализация не всегда стабильна, как по положению на сцене, так и по её глубине. Насыщенные фрагменты неминуемо приводят к "кучкованию" КИЗ Зачастую трудно отличить искуственную реверберацию от естественной
6	низ крайне точен, фактурен и информативен, но если музыкальных акцентов в нём нет - НЧ просто есть, как некое заполнение	низ слегка забивает и выпячивается, откуда кажущееся ощущение живости и событийности. Ощущение, на самом деле, ложное, поскольку низ оттягивает на себя внимание в ущерб остальному
7	середина крайне прозрачная и живая. Разрешение порой шокирует. На плотных записях - очень разборчиво, однако не очень драйвово	разрешение хорошее на неплотных записях, На плотных - мусор наслаивается и скрадывает некоторые детали, звучание становится мощным, монолитным и плотным. Возможно, именно этот "драйвовый" эффект и ценится приверженцами мультибита. Ортодоксы, по идее, должны предпочесть AD1856, мусора в ней сильно больше.
8	ВЧ - песня, цифровой фильтр чрезвычайно удачен. Сибилянты - очень правильны, ровно точно так, как живые. Железо - от легчайшего шуршания щёток до полновесного удара по тяжёлой тарелке - всё точнёхонько как в жизни	ВЧ очень зависят от применённого ЦФ, с "родным" DF1706 - удаётся нижний верх, остальное - далеко от жизни
9	опять же из-за правильного ЦФ, точно восстанавливающего переходные процессы, ES9018 в высшей степени точно передаёт характер звучания перкуссии и разнообразных "шуршалок". Можно достаточно уверенно предполагать размер зёрен в маракасах или строить догадки о материалах, из которых сделаны те или иные "стучалки" или "звенелки"	как правило, слушатель не может отличить тамбурин, например, от похожей звенелки. Или отличить тоны сторон треугольника. ВЧ перкуссия монотонна и слабо разборчива. Разборчивость можно услышать только в "неплотных" HD записях экстра-класса
10	прекрасно играет CD, на уровне хайреза. мягко, чётко, уверенно	CD хорошо отличим от HD. Натуральность тембров и отличное разрешение - как правило на хайрез записях
11	крайне аутентичное погружение в "тот самый" звук, каким его помнишь с детства. Непередаваемо интересные ощущения	фрагментарные воспоминания о том, "как было"
12	ощущение живого "здесь-и-сейчас"	"эффект присутствия" иногда случается
13	беспощадна к замусоренным, и, особенно, к зажатым записям. Sheet всплывает моментально, и на фоне тяги к хорошему - раздражает	лишь иногда и проблесками играет по-настоящему живо. А поскольку особенно хорошего и не слышно, то и sheet не так раздражает
14	не вызывает привыкания, звук всегда разный	Можно "подсесть" на дутые "драйвовость" и мощь.

п.п. 3, 7, и 14 - ключевые, почему, на мой взгляд, мы и имеем Ортодоксальную Гвардию приверженцев мультибита.

В теме есть место для споров "что лучше", но, думаю, стоит прислушиваться только к мнению тех, кто пробовал этих устриц, приготовленных по правильному рецепту.
По опыту, после прослушивания споры этих людей строятся по типу "а что же лучше - фоторгафия или живопись".

В идеале, конечно, мы должны отбросить все сторонние мнения на дуршлаг и составить своё.

Обстоятельства, при которых слух человека начинает замечать искажения, весьма и весьма разнообразны. Ниже приведены выдержки из книги Ирины Алдошиной " Основы психоакустики".

...Необычайна чувствительность слуха к временным различиям (форме волны) и длительности звука. Чувствительность слуха к частоте, интенсивности и длительности связаны друг с другом. Слуховой аппарат имеет удивительную дифференциальную способность обнаруживать небольшие различия между сходными звуками по всем параметрам: интенсивности, частоте, временной структуре и длительности. Без этого невозможно было бы восприятие речи.

....Разумеется, главной задачей современных исследований является установление слуховой чувствительности к тонкой временной структуре сигнала, в связи с чем особое внимание было уделено исследованиям дифференциальной слуховой чувствительности к фазовым искажениям. Изменения фазовых соотношений между спектральными составляющими сигнала существенно меняют его временную структуру. Однако на протяжении долгого времени, со времен Гельмгольца, считалось, что слух не чувствителен к фазовым соотношениям. Исследования последних лет показали, что это не соответствует действительности: изменения фазовых соотношений влияют на изменение тембра, четкость определения высоты музыкального сигнала и др.

....Пороги слуховой чувствительности существенно зависят от характера нелинейности: при появлении низших (второй, третьей) гармоник пороги слуха для тональных сигналов составляют 0,1%, для фортепианной музыки 1…2%, для эстрадной музыки до 7%. Чувствительность слуха зависит от порядка гармоник: заметность гармонических искажений третьего порядка вдвое выше, чем искажений второго порядка, заметность искажений от пятого порядка и выше в 6…10 раз выше, чем второго. Именно этим объясняется странное явление, что в акустических системах, имеющих в основном нелинейные искажения изших порядков, пороговые значения составляют 1…2%, в то же время в транзисторных усилителях и цифровой аппаратуре, где возникают нелинейные искажения высоких порядков, уровни нелинейных искажений должны составлять сотые и тысячные процента, чтобы они были незаметны для слуховой системы.

....По-видимому, какие-то различия во временной структуре сигнала, которые до настоящего времени еще четко не определены, являются значимыми для слуховой системы, и именно по ним она определяет живое звучание или отличает одну акустическую систему от другой. Способность различать тонкую, быстро изменяющуюся временную структуру звукового сигнала подтверждается удивительно точным анализом и распознаванием речи, когда в непрерывном временном потоке распознается специфическая структура различных фонем.

....Как уже было рассмотрено в предыдущих статьях по психоакустике (и еще будет рассмотрено в следующих), только два физических параметра сигнала воспринимаются нашей слуховой системой: интенсивность (т.е. энергия или звуковое давление), время - начало и конец сигнала; и его повторяемость во времени (периодичность или частота). Человек "слышит" звук, воспринимая изменения величины звукового давления, воздействующие на его барабанную перепонку, во времени. Вся информация, которую мы получаем о звуке, содержится в звуковых волнах, являющихся сжатием-разрежением воздуха. Все остальное, что мы оцениваем в звуке: его громкость, высота, тембр, звуковое пространство, тонкие музыкальные нюансы и др. - это результат обработки его нашим слуховым аппаратом и мозгом.

Истоник: http://ecosound.pro/Multibit_vs_SigmaDelta.html

Смотрите так же:

Цапы SABRE Audiophile DAC

Цапы Texas Instruments DAC

Цапы Analog Devices DAC