Две истории Chord DAVE, или Когда соотношение сигнал/шум 350 дБ имеет смысл

Две истории Chord DAVE, или Когда соотношение сигнал/шум 350 дБ имеет смысл

Как выглядят знаки судьбы в мире High End, почему шесть лет назад было невозможно создать ЦАП DAVE и причем тут закон Мура? Наконец, зачем ЦАПу частота 2048кГц? Ответы на эти и многие-многие другие вопросы, которые даже не возникали в наших головах, дали Джон Франкс и Роберт Уоттс, приехавшие в Россию на презентацию нового ЦАП DAVE от Chord Electronics.

High End без доли эзотерики и мистицизма — это уже не High End, а какая-то скучная инженерная разработка. Так, судя по всему, считает бессменный руководитель Chord Electronics Джон Франкс (John Franks). Прежде чем обрушить на головы собравшихся тяжелую артиллерию в виде создателя всех фирменных ЦАП Роберта Уоттса (Rob Watts), он решил сказать несколько слов об истории компании и их с Робертом судьбоносной встрече.

История словами Джона Франкса

«С Робертом Уоттсом мы познакомились на выставке CES в Лас-Вегасе в 1995 году. Я тогда представлял свои новые усилители, а Роберт был молодым изобретателем, который подошел ко мне и сказал, что создал необычную технологию работы ЦАПа, и она обязательно должна меня заинтересовать. Мы разговорились. Сначала о технике, потом на отвлечённые темы. Оказалось, что Роберт живет в Англии в трехстах милях от меня. Более того, его родители купили дом в Уэльсе, в котором когда-то жил я сам. Определённо, это был знак судьбы.

Джон Франкс рассказывает историю создания ЦАП Chord Electronics

Спустя примерно год Роберт позвонил мне и сказал, что сделал тот самый ЦАП, о котором рассказывал, и что я должен непременно его послушать. Он показал большую плату, на которой было четыре крупных микросхемы. Я спросил: «Наверное такой ЦАП будет стоить дорого?» Роберт ответил, что стоимость одних только микросхем составляет порядка 200 долларов. С точки зрения бизнеса это казалось неразумно дорого, но мой опыт создания ЦАП на стандартных чипах показал, что ни один из них не обеспечивает достаточно высокое качество звучания.

То, что сделал Роберт, выглядело совершенно иначе, и только это заставило меня подумать, что из подобной затеи может получиться что-то интересное. Так и вышло: ЦАП звучал на порядок лучше всего, что я когда-либо слышал. Это была настоящая магия, и я решил: “Пусть он стоит дорого, но несмотря на это нужно работать именно с этой технологией”. Так началось наше сотрудничество с Робертом, и в конце девяностых годов мы выпустили наш первый ЦАП Chord DAC 64».

Код и не код

А теперь имеет смысл хотя бы в общих чертах объяснить, что же такое ЦАПы Chord Electronics, и как Джон Франкс и Роберт Уоттс работают над их созданием. С аппаратной точки зрения ЦАПы Chord Electronics представляют собой микрокомпьютер, функционирующий на основе программируемых микросхем типа ПЛИС. Это логические матрицы, работу которых определяет написанный специально для них программный код. В ходе разработки ЦАПа Франкс занимается аппаратной частью, а Уоттс — программным кодом.

Тот случай, когда космический дизайн устройства полностью соответствует содержащимся в нем космическим технологиям

Учитывая, что Уоттс работал над созданием своего ЦАП еще до встречи с Франксом, общее время, потраченное на разработки и постоянное совершенствование технологии, составляет порядка тридцати лет. И последние двадцать лет речь идет о практической реализации. Самое интересное, что большую часть времени Роберт работает самостоятельно, совершенствуя программный код на имеющихся устройствах и прототипах Chord Electronics или в компьютерной программе-эмуляторе. Фактически он даже не является штатным сотрудником компании. И хотя ЦАПы Chord Electronics — это по своей сути детище Уоттса, без правильно реализованной аппаратной части их бы просто не существовало. С технической точки зрения именно возможности используемых ПЛИС напрямую определяют возможности и уровень качества работы ЦАПов Chord Electronics.

Джон Франкс: «Развитие линейки ЦАП Chord Electronics обеспечивает закон Мура. Это эмпирическое наблюдение, сделанное ученым Гордоном Муром, которое говорит о том, что по мере развития производства микросхем количество транзисторов, размещаемых на одном кристалле, будет удваиваться раз в 24 месяца. Прогноз оказался на удивление точным и действует до сих пор. Именно развитие микросхем позволило нам существенно улучшить звучание ЦАП с 1998 года до сегодняшнего момента».

Выступление Роберта Уоттса было основной частью презентации и по количеству полученной информации напомнило мне лекции по электронике и программированию, которые я слушал в университете.

Теория Роберта Уоттса

«Основная проблема цифрового звука — временные характеристики. Человеческий мозг определяет тембр инструмента и объем звуковой сцены по форме и времени возникновения звукового импульса. Оцифровка аналогового звука происходит дискретно, например, каждые 22 мкс. АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) не знает, что происходит с сигналом между этими моментами времени, эта информация не сохраняется.

Роберт Уоттс рассказывает как из обрывочных сэмплов цифрового сигнала можно восстановить красивый аналоговый звук

Если пик звукового импульса не совпадает с моментом, когда срабатывает АЦП, в цифровом виде сохраняется не сам пик, а уровень аналогового сигнала на несколько микросекунд позже этого момента. Таким образом, вместо реального пика сигнала в цифровом виде мы получаем пик меньшей высоты и смещенный вперед во времени. Человеческое ухо чувствительно к таким искажениям, поэтому задачей ЦАП является восстановление исходной временной характеристики сигнала.

Роберт Уоттс — представитель крайне редкой профессии, он программист ЦАПов

Теория цифрового звука говорит нам о том, что интерполяционный фильтр способен идеально восстановить форму аналогового сигнала. Речь идет, конечно, о фактически бесконечном количестве процедур интерполяции, но так или иначе, нет никаких теоретических препятствий к тому, чтобы идеально восстановить форму и временные характеристики исходного аналогового сигнала, а значит, мы можем реализовать это на практике».

Роберт Уоттс: «Обычный цифровой фильтр в ЦАП класса High End имеет 8-кратную передискретизацию, а это значит, что скорость обработки сигнала составляет 2 микросекунды. В ЦАП DAVE происходит 256-кратная передискретизация, что даёт точность 0,86 наносекунды (он более чем в 2000 раз быстрее — примечание редакции). Ни один существующий цифровой фильтр не работает на такой частоте»

Пойти до конца

Практическая реализация DAVE затянулась фактически на шесть лет, работа над ним началась одновременно с выпуском предыдущей модели HUGO. Была разработана новая аппаратная часть цифрового фильтра на более современных микросхемах с производительностью в 10 раз выше, чем у HUGO, после чего велись работы по улучшению остальных частей схемы и отладке ПО.

Архитектуру любого ЦАП Chord Electronics можно условно разделить на два блока: интерполяционный фильтр, восстанавливающий цифровой сигнал и формирователь шума, в котором цифра преобразуется в аналоговый вид. Изначально работа велась именно на уровне цифрового фильтра. Многократная интерполяция обеспечивалась параллельной работой 166 DSP-процессоров, эмулированных в микросхемах ПЛИС. В результате частота обработки повышалась сначала до 256 операций в секунду, а перед подачей обработанного цифрового сигнала в формирователь шума частота увеличивалась до 2048 Гц. Если сравнить возможности DAVE с любым ЦАПом даже класса High End, по собранным на стандартной микросхеме, то разница в глубине обработки цифрового сигнала составит несколько порядков. И можно сказать, что во столько же раз ближе к исходной получается итоговая форма аналогового сигнала.

Отработка прямоугольного импульса и синусоиды (два верхних графика) практически идеальны при минимальной разнице между каналами

При измерении джиттера (красный график) и двойного импульса 19 и 20 кГц (синий график) фоновый шум на отметке –170 дБ принадлежат не ЦАП, а лабораторному прибору. Джиттер ЦАП оказался за пределами чувствительности приборов

Но и на этом перфекционизм Роберта Уоттса не иссяк. В схеме прототипа DAVE изначально использовался формирователь шума, заимствованный у предыдущей модели ЦАП HUGO, но Уоттс начал экспериментировать с повышением коэффициента сигнал/шум, который изначально составлял 120 дБ.

«Теоретически от подобных действий слышимой разницы быть не должно, — пояснил Роберт. — Я постепенно увеличивал соотношение сигнал/шум и получал вполне ощутимый прирост качества — более точную и естественную звуковую сцену. Эти эксперименты продолжались довольно долго, и в итоге я остановился на цифре в 350 дБ. С практической точки зрения это значит, что у преобразователя нет ограничения на минимальную величину сигнала. Те мельчайшие звуки, которые маскировались шумом устройства, стали слышны. Если бы кто-то сказал мне раньше, что соотношение сигнал/шум 350 дБ имеет смысл и даёт слышимый эффект, я счел бы это безумием. Но оказывается, человеческое ухо способно реагировать на столь тонкие изменения в звуке». В итоге выход DAVE был сформирован 20-элементным ЦАП Pulsе Array и формирователем шума второго порядка с максимальным соотношением сигнал/шум.

Вряд ли мы это услышим, но можем хотя бы увидеть на графике как ЦАП DAVE воспроизводит импульс громкостью –301 дБ. Заметьте, что шумы начинают нарастать за пределами 20 кГц и поднимаются с –340 до –200 дБ только к 100 кГц

Роберт привёл в качестве примера результаты измерений, показывающие, что при столь низком соотношении сигнал/шум ЦАП эффективно воспроизводит сверхтихие звуки с уровнем –301 дБ. Кроме того, искажения, нарастающие с повышением частоты, проявляются только за диапазоном слышимости, и на отметке 100 кГц уровень шума по-прежнему рекордно низок: –200 дБ. Цифры снова получаются космические, выходящие далеко за пределы привычных коридоров измерений. Самый лучший мультибитовый или DSD-ЦАП не могут обеспечить такие характеристики.

Пока Уоттс рассказывал о технологиях, задействованных в ЦАПе, Джон Франкс сел рядом со зрителями, достал смартфон и занялся проектированием электронной схемы

И что в итоге? Во-первых, Chord Electronics — те немногие, кто имеют полное право использовать в рекламе своих устройств превосходные степени. Формулировки типа «самый лучший в индустрии» или «самый высокопроизводительный» в данном случае есть инженерный факт, подкреплённый вполне конкретными, реальными измерениями. Во-вторых, новый ЦАП DAVE действительно очень хорошо звучит.

Особенность конструкции корпуса ЦАП Chord DAVE такова, что в любой системе он будет на высоте. Во всех смыслах этого слова

Не берусь оценивать на слух реальный уровень соотношения сигнал/шум, но могу сказать совершенно точно, что обещанная разработчиками объемная, точно проработанная сцена, совершенно исключительная прозрачность и детальность, а также общая музыкальность в характере DAVE присутствуют в полной мере. В-третьих, я чуть не забыл упомянуть одну немаловажную деталь: новый ЦАП это, в общем-то, не совсем ЦАП, а цифровой предусилитель с большим количеством входов и регулируемым выходом. К тому же в нём имеется весьма достойный усилитель для наушников.

И да, дизайн у Chord Electronics по-прежнему космический.

75.31 дБ +

Комментарии

#

Инопланетные технологии ))

- 50 дБ +
#

ЦАПы у Chord обычно были или хорошие или очень - не помню ни одной проходной модели. Но внешность, конечно... Но вообще слушать надо, слушать - никакое подробнейшее обсуждение технологий прослушивания не заменит.

- 60 дБ +
⇡ в ответ @Gorbatov #

На тест дадут?

- 50 дБ +
⇡ в ответ @FatBob #

Понятия не имею...

- 50 дБ +
#

Вот одного не могу понять, ну имеем мы прям таки прецизионный сигнал с ЦАП. А потом на усилителе мощности...


Вот и спрашивается зачем он был такой красивый нужен?
И это еще скажем так тест, который гордо на показ выставляет производитель, у остального большинства там все куда хуже.

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Bbhob #

насколько я понял это график с китайского цифрового мощника за 20 баксов. весьма некорректно.


- 50 дБ +
⇡ в ответ @AntNik #

это график с корейской микросборки за20 баксов, С устройств на транзисторах по писят центов всё выходит куда веселее, конечно же. Но давайте рассматривать гипотетический минимум

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Bbhob #

гипотетический минимум, при обсуждаемом предмете с гипотетическим "максимумом" (хоть и не абсолютным)?
зачем сравнивать Роллс с Жигулём?

кароче, я вас не понимать.

- 50 дБ +
⇡ в ответ @AntNik #

Минимум искажений, максимум качества, что тут непонятного. Источник чище оконечника почти на 100дБ. Это здорово! Но это на порядки выше по качеству, чем мы могли бы заметить. В чем смысл? Наверно только некоторые исходники послушать, но кто их собирает....

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Bbhob #

Лучше уж так, тоже китай.

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Georgiy #

Это гармонические 1К. На интермодуляционных ну например 19К 20К, как это показано выше, все веселее.

- 50 дБ +
#

Интересная статья.

Раньше бы я сказал, что тепловой шум остальной части схемы, (тех же буферов и пр.) перекроет всю эту технически идеализированную красоту, но проводя свои собственные эксперименты, эмпирически, я обнаружил следующее:

— когда я пытался для себя лично разобраться, от каких именно характеристик зависит качество звучания цифрового тракта CD (ну кроме банальных THD и пр.), так сказать эмпирически сравнивая разные модели CD между собой, как по звучанию, так и по реально измеренным ТХ , логически я пришел к выводу, что видимо в первую очередь от ширины (или глубины, как кому удобнее понимать) динамического диапазона.

Тогда я записал сгенерированные сигналы синуса и меандра на болванки, с разными уровнями сигналов и приступил к измерениям и прослушиванию. Естественно меня интересовали больше всего низкие уровни сигналов, но измерял и прослушивал я все варианты. Кстати, ошибкой было записать на 10 kHz синуса на уровне 0 dB, итог был печальным - минус два дорогих твитера. : )) Ну не в этом суть.

Безусловно я понимал, что слушать синус – казалось бы просто глупо, но именно синус, как раз натолкнул меня на весьма любопытное наблюдение. На уровне – 80 dB или – 90 dB (уже точно не помню, возможно ниже), синусоида 1 kHz просто растворилась в шуме выходного буфера, то есть в осциллограмме не было никаких признаков модуляции, один шум, но каково же было моё удивление, когда при прослушивании этого сигнала, я услышал отчетливый тон, и никакого шума, по крайней мере на своём оборудовании и на своей акустике. Пришлось позвать коллег, и ничего им не объясняя, устроить слепой тест, чтобы осознать, что я себе этого не придумываю. Результаты теста совпали.

Размышляя, я конечно осознавал, что отчасти, природная нелинейность слуха человека на низких уровнях сигнала, послужила своеобразным полосовым фильтром, но все же это не объясняло природу выделения чистого тона слухом человека из остального шума в этом диапазоне. Вывод напрашивался один, видимо «программное обеспечение» человеческого мозга, раскладывает входящий последовательный сигнал на своеобразный кумулятивный график, который расщепляется с высокой частотной дискретизацией на составляющие, при анализе которого, мозг видимо отчетливо выделяет беспорядочные флуктуации белого (и пр.) шума во временной характеристике, и чистый тон, колебания которого имеют строго последовательную повторяемость. Предполагаю, что мозг способен так раскладывать не только чистые тона, но и любые другие гармонические сигналы.

Это натолкнуло меня на простые выводы, что видимо действительно качественный звук, должен зависеть, (безусловно не пренебрегая всеми остальными общепринятыми характеристиками, такими как, линейность АЧХ, THD и пр.) от двух основных характеристик: скорость нарастания выходного напряжения сигнала, и глубина динамического диапазона.

Любопытным остается тот факт, что искажения и нелинейность остального тракта звукового оборудования, включая акустические системы, хоть и искажают и маскируют этот феномен, но все равно не убивают его полностью, хотя и по разному передают его. Видимо пришло время создать прибор, с программным обеспечением, который будет способен, так же как человеческий мозг, выделять из общего шума гармонические сигналы и анализировать их, (возможно на основе того же тригонометрического ряда Фурье). Тогда мы наконец-то сможем приблизиться к некоторой когерентности между субъективными прослушиваниями и объективными измерениями

Без какой-либо претензии на истину, просто высказал свои размышления по этому поводу.

- 60.79 дБ +
⇡ в ответ @Anthony_Julin #

Вы не представляете даже, насколько близки к открытию теории бегущей волны Бекеши. ;)

- 50 дБ +
#

Читаю и понимаю: а ведь этот дядя абсолютно прав! Действительно, цифровые технологии дают эту самую погрешность 5-22 мкс. В ЦАП с передискретизацией - 2 мкс. Ну ни в чем не соврал. Но с чего он взял что человеческое ухо это на 100% слышит? На какие исследования он опирается? Только на свой отдел рекламы и маркетинга? "Оказывается" - естественно, оказывается, когда хочется, чтобы купили такой дорогой прибор. Задумаемся на миг - он говорит о микросекундах! Это время уже близко к порогам срабатывания затворов старых транзисторов и микросхем годов 1970х. Я себе представляю твиттер самой лучшей колонки, пускай планарный. 2 мкс - он успеет ворохнуться то? Чаще всего там верхняя граничная частота 50000 Гц, а то 25000 вообще, на деле все это весьма приблизительно указано и в реальности еще хуже. Ну будет там локальный пик длительностью 0.5 микросекунды, источник его пропустит, а не проглотит, нам от этого лучше станет? Я уж молчу про всякие интерференции, стоячие волны и т.п., которые бывают в реальном помещении и запросто этот пик могут погасить. Конечно, надо уже переходить в мегагерцовый диапазон, что уж медлить! -200 дб порог шума. Охренеть! Самые тихие сигналы -300 дб слышно... в подземном бункере, изолированном от любого внешнего шума. И то там вода капать со стен может, как в фильме ужасов. Будет бум-бум-бум в тишине. В реальности какой-нибудь фон все равно есть, даже если кажется, что совсем тишина, иначе человек может напугаться любому громкому звуку, а это редко бывает. И на фоне громких звуков в обычной композиции эти сверхтихие звуки слышно не будет 100%, так слух человека устроен, иначе можно оглохнуть. В файлах mp3 их вообще выдирают из потока, все равно не разобрать будет. А где вы видели композицию всю на уровне сигнала -300дб? Вот в рекламе он свои выводы использовать конечно может с полным правом, но это как реклама таблеток по ТВ: "Эргоферон" - и грипп прошел"! На доверчивых домохозяйках работает. И если у покупателя кошелек карман оттягивает, тогда пусть на это и покупается, а от нас, обычных прагматиков: "Иди, ты, дядя!... домой с этим" Вот определение, высказанное вначале: мистика и эзотерика к данному рекламному материалу подходит лучше всего.

- 53.01 дБ +
⇡ в ответ @JaroslavS #

То, что уровень шума даже идельной комнаты не меньше 30 - 40 dB абсолютно верно, за -300 dB конечно не скажу, (выглядит мистикой), но вот феномен скажем в уровне примерно -100 dB, (может чуть меньше, и на чистом тоне), эмпирически наблюдался, как мозгу это удается, остается неизвестным...

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Anthony_Julin #

-100 dB? Вряд ли. Это гипотетический предел. В реальности -40дБ предельное отношение сигнал/шум. Это конечно если сигнал простой (по сируннойтеории Гельмгольца), а шум равномерная стохастика.

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Bbhob #

А я поддержу предыдущего оратора. Проводил похожие исследования. Чисто для себя, чтобы понять слышно ли эффекты находящиеся на пороге соотношения С/Ш или нет. Проводились в т.ч. слепые прослушивания и несколько человек привлекал как людей "в теме", так и далёких от аудиофилии. -100 дБ и даже ниже вполне попадает в зону чувствительности человека. Уж каким третьим глазом или четвертым ухом мы это воспринимаем - непонятно, но эффект имеет место быть. Фильтры в наших мозгах отлично работают и выдёргивают нужную информацию из общего шума.

- 50 дБ +
⇡ в ответ @naumov #

Белый шум - 10 дБ, тон 2к -20дБ. Едва слышно. -30дб на грани эзотерики. -40 дБ даже всклейку не слышно.

Прислать

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Bbhob #

И я туда же, поддержу - слышны эффекты. Каким боком - не буду делать выводов, я не физик и не физиолог.

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Anthony_Julin #
но вот феномен скажем в уровне примерно -100 dB

Для современных микросхем ЦАП, без этих мистик-эзотерик, типичными значениями соотношения сигнал-шум является 100 дб и больше, например у новомодного AK4490 по даташиту 120 дб. Это на мой взгляд реально еще, вопрос конечно, востребовано или нет на практике. Но это есть, а 200-350 куда применить? Нет можно теоретически и 500 дб сделать, толку то?

- 50 дБ +
⇡ в ответ @JaroslavS #

я про обратное соотношение, Из под какого шума можно услышать слабый сигнал. Ведь шум задаваемый усилителем перекроет все тихие нюансы

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Bbhob #
Ведь шум задаваемый усилителем перекроет все тихие нюансы

Ну, это особенность психики выделять незначительные нюансы. Раньше мы жили на природе, и даже незначительные флуктуации шума могли стоить жизни, или хотя бы возможности покушать. Поэтому мозг работает как мощный фильтр. Например, реальное изображение, которое дает глаз, частично расфокусированное, разделенное на две половинки, перевернутое. Мозг все это выправляет. А мы потом еще спорим о цветовых оттенках отдельных пикселов телевизора на расстоянии 5 метров. Поэтому мастер эзотерической магии в этой статье уверяет, что при уровне шумов -200 дб будет слышен сигнал -300 дб. Теоретически это так, но реальны ли такие значения? Ну еще -100/-120 я бы поверил, что возможно шестым чувством что-то ощутить, но уж дальше чистая мистика, имхо.

- 50 дБ +
⇡ в ответ @JaroslavS #

Приэтом не стоит забывать, что гипотетически диапазон слуха 140дБ, а в реальности 110дБ.

Другое дело, что цап легко воспроизведет и топот муравья и звук стартующей ракеты. Если они будут присутствовать на одной записи. Но я таких не встречал. Хотя было бы прикольно. В систему ламповый буфер, чтоб не пожечь все, и сидишь такой покрутил ручку: муравья слышно, покрутил: ракету чисто без компрессии.


- 50 дБ +
#

Чтобы получить соотношение сигнал\шум в 350 дБ нужно чтобы уровень сигнала был больше уровня шума в 300 000 000 000 000 000 раз. Я все понимаю, конечно, но это уже перебор:) Для снятия лапши с ушей тут не вилка нужна, а карьерный экскаватор:)

- 53.01 дБ +
Чтобы оставить комментарий, войдите, пожалуйста.