R2R против Delta-Sigma - Полное Сравнение Архитектур Преобразования ЦАП

Множество копий было сломано по поводу цифрово-аналогового преобразования - поклонники лестницы R2R указывают на плавный аналоговый звук, в то время как сторонники чипов дельта-сигма говорят о точности и динамике. В этом руководстве мы разбираем каждую техническую нюанс современного архитектуры, которые преобразуют цифровой сигнал в аналоговый.

Полный обзор ЦАП Holo Audio May KTE размещен здесь.

Как работает лестница R2R

R2R, или лестничная сеть, является «прямым» методом цифрово-аналогового преобразования. Сеть резисторов двух значений, отличающихся ровно в два раза, организована так, что каждый бит входного слова управляет переключателем, который добавляет определенную долю опорного напряжения к общему (старший бит вносит половину, следующий - четверть, следующий - восьмую и так далее). Сигнал появляется на выходе немедленно, без промежуточного преобразования. Поэтому его другое название  - многобитный дизайн ЦАП, так как все биты обрабатываются одновременно.

Пределы точности

Насколько правильно работает матрица R2R определяется точностью ее резисторов. Чтобы вклад старшего бита не затмевал вклад младшего, значение старшего резистора должно быть удержано лучше, чем один деленный на два в степени N, где N это глубина бит.

Лучшие производственные прецизионные резисторы имеют допуски порядка 0.01–0.005%, что соответствует примерно 13–14 честным битам. Все, что превышает это, достигается путем индивидуального отбора, лазерной подгонки или калибровки матрицы с компенсацией отклонений.

Проблемы, связанные с температурой и временем

Поскольку резисторы имеют температурный коэффициент сопротивления, их значения изменяются по мере нагрева устройства, и заводская калибровка перестает быть точной. Поэтому две меры проектирования, характерные для High-End устройств R2R  - стабилизация температуры опорного напряжения и периодическая самокалибровка матрицы. Резисторы также изменяются в долгосрочной перспективе, поэтому устройства этого типа иногда требуют перекалибровки после многих лет использования.

Как работает дельта-сигма преобразование?

Delta-sigma решает проблему совершенно иным способом, чем R2R. Вместо того чтобы стремиться к высокой точности в амплитуде, архитектура меняет глубину бит на скорость. Сигнал многократно пересчитывается, обычно в 64 или 128 раз, а затем квантуется до небольшого числа уровней  - в предельном случае, до одного бита. Такое грубое квантование генерирует значительный квантовый шум, но здесь и вступает в силу ключевой механизм - формирование шума. Обратная связь модулятора организована так, что квантовый шум выталкивается из аудиодиапазона в высокие частоты, где он удаляется аналоговым фильтром на выходе.

Результат - это чрезвычайно низкий уровень шума и очень высокая линейность в диапазоне до 20 кГц, потому что линейность однобитного или многобитного квантователя тривиально обеспечивается  - этот чип не имеет резисторов, значения которых могут изменяться.

Нюансы

Ультразвуковой шум. Смещенная энергия не исчезает; она находится выше 20 кГц. При недостаточной фильтрации она может нагружать выходную стадию ЦАП.

Паузы. На постоянном или очень тихом входном сигнале модулятор склонен к образованию периодических паттернов, которые создают дискретные компоненты в спектре. Современные конструкции противодействуют этому, добавляя дидж и увеличивая порядок модулятора.

Зависимость от цифрового фильтра. Пересчет требует цифрового фильтра, и его характеристики становятся частью звука устройства. Поэтому переключаемые фильтры на большинстве современных устройств.

Гибридные конструкции

Сегодня значительная часть ЦАП высшего класса использует не только две описанные выше схемы, но и гибридные конструкции.

Цифровой фильтр исключительно важен

Поскольку именно фильтр определяет поведение системы во временной области, его влияние может быть сопоставимо с влиянием самой схемы преобразования.

Предварительное рингование линейного фазового фильтра - это явление, которого не существует в природе  - ухо никогда не сталкивается со звуком, который возникает ДО его источника. Это объясняет большую часть жалоб на цифровое аудио. Контраргумент заключается в том, что амплитуда предварительного рингования чрезвычайно низка и сосредоточена на самом краю слышимого диапазона.

Какие параметры измеримы?

По большинству параметров дельта-сигма преобразование обеспечивает гораздо лучшие характеристики. R2R имеет структурное преимущество только в одном отношении - отсутствие пауз. 

И все же, при живом прослушивании значительная часть аудиофилов предпочитает R2R ЦАП. Почему?

Характер ошибок. Нелинейные ошибки в лестнице создают спектр, который уменьшается по мере увеличения гармонического порядка. Ошибки дельта-сигма проявляются как модуляция уровня шума, которая зависит от сигнала. Ухо воспринимает последнее как неестественность.

Отсутствие цифрового фильтра или упрощенный. Многие R2R устройства работают без пересчета, и то, что приписывается архитектуре, на самом деле является отсутствием предварительного рингования.

Аналоговый раздел и источник питания. Устройства, построенные на дискретной лестнице, почти всегда дороже и поэтому имеют более серьезную выходную стадию и источник питания. 

ЧТО УЧИТЫВАТЬ

Разброс качества внутри каждой архитектуры многократно превышает разницу между архитектурами. Плохо выполненный R2R дизайн с некалиброванной лестницей звучит хуже, чем компетентно построенное устройство дельта-сигма, стоящее вдвое дешевле. И наоборот.

Что формирует звуковой характер ЦАП?

Аналоговая выходная стадия. Она определяет выходное сопротивление, поведение под нагрузкой и спектр искажений устройства. 

Источник питания. Отдельные линии для цифровых и аналоговых секций, а также качество регулирования.

Тактирование. Важно не столько абсолютное значение джиттера, сколько его стабильность и спектральный характер.

Цифровой фильтр. Он определяет поведение во временной области и слышен на транзиентах.

Архитектура преобразования сама по себе. Ее вклад сопоставим с фильтрацией и остальными.

Какой ЦАП выбрать?

Контрольный список

Запрашивайте у производителей данные о линейности на -60, -90 и -110 дБ. Это единственный наиболее информативный параметр для сравнения преобразователей.

Проверьте выходное сопротивление. Значение выше 500 Ω может вызвать проблемы с некоторыми предусилителями.

Проверьте заявленный уровень выхода. Несоответствие уровней между устройствами делает прямое сравнение прослушивания ненадежным.

Проверьте, есть ли выбор цифрового фильтра. 

Для дизайна R2R проверьте, предусмотрены ли самокалибровка лестницы и стабилизация опорной температуры.

Не сравнивайте устройства по глубине бит цифрового входа, который они принимают. 

Сравнивайте уровень звукового давления. Разница в 0.3 дБ будет воспринята как превосходное качество.

Примите окончательное решение только после обширного прослушивания.