Hi-Fi-аудиоплеер или мобильный ЦАП к смартфону: что выбрать? 8 причин за и против
Вместе со стремительным развитием мобильных технологий сильный толчок получили не только полноценные Hi-Fi аудиоплееры, но и все остальные направления портативного звука. ЦАПы стали резко уменьшаться в размерах и значительно снижать требования по питанию. Отчего сегодня на одной чаше весов оказались аудиоплееры, а на другой — мобильные ЦАПы, позволяющие получить тот же самый плеер в связке с вашим же смартфоном. Что же выбрать? Какие у каждой из сторон есть достоинства и недостатки? Во всем этом мы и постараемся с вами разобраться.
Для начала стоит определиться, что мы имеем в виду под мобильным ЦАПом. Портативные цифро-аналоговые преобразователи существуют уже давно. Как правило они содержат в себе собственный элемент питания и довольно внушительные габариты. Настолько, что хотя это все еще портативно, но далеко не мобильно. Как пример такого устройства я могу привести ЦАП: xDuoo XD05 Basic. Кстати, просто превосходный аппарат в своей ценовой категории. Так вот, устройства подобного формата мы в рамках этого сравнения рассматривать не будем. Сейчас, когда все тоньше и легче эдакие бронтозавры решают очень уж специфические задачи. Мобильными ЦАПами я называю «свистки», они же небольшие устройства, подключаемые через Type C, Micro USB или Lightning разъем к вашему смартфону. Своего аккумулятора у данных устройств, как правило нет. И тут мы подходим к первому элементу сравнения.
1. Расход батареи
Да, мобильные ЦАПы откушивают заряд аккумулятора вашего смартфона, выступающего в виде цифрового источника. Заметьте, «цифрового». На этом моменте сразу развеем миф о том, что ЦАП не работает если у вашего смартфона есть аналоговый 3.5 мм. выход и что это «просто усилитель». Это совсем не так. Так вот, первое превосходство плеера над ЦАПом заключается в том, что заряд вашего смартфона остается неизменным и вы, возможно не пропустите какой-то важный звонок. В этом плане Hi-Fi аудиоплеер действительно на коне. Как ответный ход, современные ЦАПы показывают просто микроскопический расход энергии, до 0.04 ампер на 5 вольт. Что, естественно, заметно выравнивает ситуацию. В качестве примера такого сверхэкономичного устройства можно привести Shanling UA1.
2. Нагрузка на разъемы
Следом же можно указать еще один значительный минус ЦАПов: сама батарея, как и разъем смартфона, получают новую дополнительную нагрузку, способствующую их более скорому выходу из строя. Тут уж крыть совсем нечем. Современные мобильные ЦАПы все время меняют форму, что-то в них додумывают, однако нагрузка есть и от этого никуда не деться. Оправдание тут может быть только одно, скорость устаревания смартфонов намного выше, чем износостойкость аккумулятора и соединительного порта.
3. Габариты и удобство использования
Но посмотрим на ситуацию и с другой стороны, «свисток» намного универсальнее и имеет очень скромные габариты. Мобильный ЦАП способен улучшить звук вообще любого более-менее актуального смартфона. В пределах последних 6 лет точно. При этом сам девайс на подключенных к нему проводных наушниках практически незаметен. А следовательно, не занимает лишнего места у вас в карманах. Таскать сегодня и телефон, и плеер — процесс довольно напряжный, поскольку в карманы все это уже не вмещается. А вот ЦАП решает вопрос легко и лаконично. Словно у вас смартфон и проводные наушники к нему. В качестве примера такого сверхкомпактного девайса можно привести, например, Sonata HD II. С подобной проблемой я сам неожиданно столкнулся на отдыхе. Взяв с собой в путешествие довольно приличный аудиоплеер он все время оказывался не к стати: когда я его брал с собой он просто грузом лежал в сумке или кармане, а когда забывал — буквально сразу был нужен. В следующую поездку я взял с собой уже мобильный ЦАП и в смотке наушников он всегда был при мне. Карман не оттягивает, нужно — пользуйся, а не нужно — кушать он не просит. Для тех, кто постоянно в пути — чрезвычайно важный момент.
4. Цена и доступность
Еще одним добивающим плееры моментом является цена. Hi-Fi аудиоплееры заметно дороже в производстве: у них есть хороший цветной, а зачастую и загнутый сенсорный экран, полноценный блок для Wi-Fi, блютуз, память, процессор, крутящаяся на них переработанная операционная система, требующая обновлений и исправлений багов и всякое такое прочее. Понятно, что все это стоит денег, в отличии от единственного чипа с минимальной обвязкой в ЦАПе. Оттого за реально хороший плеер с вас могут попросить от 500 долларов и выше, а лучший на рынке ЦАП стоит всего 190 баксов. И это самый ТОП. Я, конечно же, говорю о Lotoo PAW S1 и Luxury & Precision W1. Следовательно выбор мобильного ЦАПа вам позволяет не только остаться в рамках своего любимого смартфона и установленного на нем софта, но еще и серьезно так сэкономить. Причем практически любой меломан может себе позволить самые топовые модели. С плеерами данный фокус у вас скорее всего не удастся, там максимальный ценник уходит за несколько тысяч долларов.
5. Железо у плеера и ЦАПа
Чем же кроет эту карту рынок аудиоплееров? Ну, для начала, куда более развитой хардварной начинкой. Здесь у ЦАПа не разгуляться — габариты ограничивают. Но тут пришли на помощь те самые производители микросхем и все уменьшающиеся технологии производства. То есть часть обвязки то и дело встраивается уже непосредственно в чип. ЦАПом со встроенным усилителем на наушники сегодня никого не удивить, но в ESS пошли еще дальше и встроила полностью все интерфейсы, включая даже подключение по USB. То есть с минимальной обвязкой мы получаем полноценный по качеству аппарат с довольно серьезным звуком. Для примера можно привести Hillidac Beam 2se или HiBy FC3. Обе модели прекрасно звучат, мало потребляют энергии и к тому же очень недороги.
6. Программное обеспечение
С точки зрения софта вроде как паритет, устанавливайте те программы, что вам нужны и просто пользуйтесь ими. Однако ЦАП, в этом случае, все таки проигрывает. Я говорю о системном микшере. В Hi-Fi аудиоплеерах эта часть, отвечающая за заметное ухудшение сигнала, устранена на корню. А вот при подключении ЦАПа к смартфону звук пойдет конкретно через данный микшер. И, как итог, звук будет хуже. Есть, конечно, обходные пути вроде приложений, поддерживающих BitPerfect режим, но таковых не так уж и много, ну и стримминговые сервисы ими не охватываются в полном объеме. То есть на плеере все будет в шоколаде, а на ЦАПе, за некоторым исключением, все не столь радужно. Да, разработчики сегодня прикладывают все силы и Tidal уже появился в HiBy Music и USB AudioPlayer, но это пока капля в море. Все остальное по качеству будет звучать лучше аналогового выхода вашего смартфона, но заметно проще плеера. В качестве уточнения нужно сказать, что этот момент сильно зависит от реализации микшера на конкретно вашем аппарате. В моем Samsung Galaxy S8 он просто ужасен, а про недорогие трубки от Xiaomi лучше вообще не вспоминать.
Инструкция по включению Bit-Perfect режима в плеере HiBy Music.
7. Выходная мощность и наушники
Еще довольно спорный момент касается разъемов и непосредственно выходной мощности. Действительно, пару лет назад лишь несколько моделей мобильных ЦАПов могли прокачать тугие полноразмерные наушники. Сегодня же получить из «свистков» до 200 мВт на 32 ома нагрузки не является проблемой. Нагрузка на аккумулятор, естественно, увеличится, но то уже ваш осознанный выбор. Слишком тугие наушники далеко не лучшая идея для мобильной связки. При этом, даже некоторые совсем недешевый аудиоплееры могу иметь те же 200 мВт на выходе. Другой вопрос, что зачастую они имеют куда больше, но здесь спасают внутриканальные наушники. Ходить по улице в изодинамических полноразмерах могут только совсем уж маргинально настроенные личности, а для большинства меломанов внутриканалки просто прекрасны. И я всецело разделяю это мнение. На них мощности точно хватит и у плееров любого ценового сегмента и у ЦАПов. Так что это такой, довольно спорный момент. Как пример довольно мощного ЦАПа можно привести E1DA 9038D.
8. Качество звучания
Хотя тут появляется новый вопрос: можно ли с мобильного ЦАПа выйти на качество звучания современного аудиоплеера? Мое мнение по этому вопросу таково: и да, и нет. Если сравнивать с бюджетными плеерами (до 200 долларов), то ЦАП за 40 будет звучать на их фоне просто гениально. Особенно, если говорить о бюджетниках прошлых лет. Среднесегментные Hi-Fi плееры (от 200 до 400 долларов) уже вполне могут побороться с мобильными ЦАПами. Но успех будет то на стороне одних, то на стороне других. Противостоять же плеерам дороже 400 долларов мобильные ЦАПы пока еще не в силах. Прогресс до такого не дошел. Отсюда, если ваши средства ограничены, то я рекомендую остановиться на хороших наушниках и приличном мобильном ЦАПе, например iBasso DC03 или даже балансном iBasso DC04. Если же вы располагаете бюджетом на покупку дорогого плеера, то выигрыш в качестве звучания будет бесспорным.
Выводы
Суммарно, по удобству, комфорту использования и чтобы отличный звук всегда был под рукой — Hi-Fi аудиоплеер в большинстве вариантов пасует. Носить в одном кармане смартфон, а в другом плеер мало кто согласится. Только в какие-нибудь разъезды, офис и то носить его придется в рюкзаке или какой-нибудь барсетке.
Что же выбираю я сам и мои близкие друзья меломаны? Дома в связке с компьютером лучше всего себя чувствует полноразмерный стационарный ЦАП, в случае длительных поездок и перелетов- хороший Hi-Fi аудиоплеер вне конкуренции, а в остальных моментах — исключительно мобильный ЦАП.
Полностью расстаться с хорошим аудиоплеером я оказался не в силах, но в рамках ограниченного бюджета и набегу, смысла в нем, реально, немного. Мы действительно, получается, покупаем то же самое, что у нас уже есть в смартфоне. Который, к слову, всегда под рукой и на который, в отличии от плеера, не надо раздавать интернет. В сухом остатке, точного ответа, что же лучше на текущий момент нет. У всего есть свои достоинства и недостатки, из которых нужно вычленить именно то, что подходит непосредственно вам. Прямо сесть и прикинуть: где, как и при каких условиях я буду слушать музыку, насколько высокое качество мне при этом необходимо и, как вишенка на торте, сколько денег я готов потратить. У подавляющего числа меломанов последний вопрос всегда решающий: хочу супер звук за минимальный прайс. Ну в таком случае это точно не про плеер, а значит пора присмотреться к тому самому мобильному сегменту ЦАПов. Поверьте, я прослушал их уже не один десяток и в 99% случаев за свою цену звучат они почти гениально. Подробнее ознакомится и подобрать себе музыкального друга можно из моей актуальной подборки мобильных ЦАПов.
На этом, наверное, и закончим. Выбирайте практично и делайте это не только с умом, но и с оглядкой на перспективу.
Муки выбора. Усилитель или ЦАП
Трудное решение или сравнение теплого с мягким?
Любые поиски и метания в попытках улучшить звук обычно начинаются с ощущения, что привычная музыкальная система как-то «не играет». Для бывалых любителей музыки возникшее ощущение означает только новые траты. Новички часто ограничиваются приобретением хороших наушников. Если результат не оправдывает ожидания, приходится искать иные способы улучшить звучание музыки.
Усилитель для наушников
Если источник звука недостаточно мощный, чтобы раскачать наушники, первым делом на ум приходит покупка внешнего усилителя.
Встраиваемые в смартфоны или портативные плееры усилители часто не отличаются высоким качеством. С одной стороны, ради повышения общей производительности гаджета инженеры вынуждены выбирать более энергоэффективные, но менее мощные усилители. А с другой, встроенные решения не всегда могут обеспечить стабильный звук без привнесенных искажений.
В этом случае дискретный усилитель, разработанный именно для вывода качественного звукового сигнала, может стать искомой альтернативой. При этом компактные внешние усилители обеспечивают не только необходимую громкость звука в наушниках, но и должную стабильность звучания.
И тут-то пользователей усилителей для наушников и поджидает проблема. Притом с самими усилителями она и не связана. Подключаемые в гнездо выхода для наушников усилители имеют дело с аналоговым сигналом в том виде, в какой его преобразовал встроенный в смартфон (плеер или звуковую карту) цифро-аналоговый преобразовать (ЦАП). Производители редко тратятся на качественные микросхемы ЦАП, предпочитая ставить недорогие низкоразрядные чипы. Результат работы слабеньких ЦАП упрощенно можно описать следующим изображением:
В общем случае потеряется яркость, выразительность или даже часть деталей. После такого преобразования музыку не спасут даже самые качественные наушники и усилитель.
Именно поэтому часто более оправдана покупка внешнего цифро-аналогового преобразователя.
Внешний ЦАП
Цифро-аналоговый преобразователь – устройство, конвертирующее цифровой сигнал в поток электрических импульсов для воспроизведения в акустических устройствах.
В цепочке «Источник сигнала – ЦАП – Усилитель – Акустика» итоговое качество звука зависит от каждой составляющей. На ЦАП, таким образом, приходится хотя бы четверть ответственности за то, что в конечном счете дойдет до ушей слушателя. Именно поэтому важно обеспечить наличие в звуковом тракте качественного устройства, преобразующего двоичный код в аналоговый сигнал.
Со встроенными в пользовательские устройства ЦАП ситуация аналогична усилителям. Энергоэффективность и оптимизация габаритов вынуждают производителей ставить компактные, не отвечающие задачам вывода детального звука, комплектующие. К тому же далеко не всем пользователям нужно, чтобы телефон (или ноутбук) «играл». В итоге, любители качественного звука вынуждены озадачиваться приобретением дополнительной периферии.
Благо, что рынок портативных внешних ЦАП широк. Даже в реалиях кризиса и просевшей национальной валюты, можно подобрать достойное решение по карману. Хоть для iPhone, хоть для Mac. Все что нужно – иметь возможность подключить устройство через USB-интерфейс.
К примеру, не так давно у нас на обзоре побывали два устройства от Fostex. Одно из них – внешний ЦАП Fostex HP-A3, построенный на базе микросхемы AKM AK4390. Эта модель, при сравнительно небольшой цене обладает всем, что необходимо требовательному меломану. HP-A3 выдает очень детальный, выверенный и очень динамичный звук. Вдобавок, к его прелестям можно отнести наличие небольшого усилителя, достаточного для использования с низкоомными наушниками.
Для раскачивания больших высокоомных телефонов потребуется оснащать свою систему дополнительным усилителем или воспользоваться универсальным решением.
Комбайн
В том же обзоре мы рассматривали старшую модель Fostex HP-A4. Её можно отнести к так называемым комбайнам – устройствам, совместившим в одном корпусе и ЦАП, и усилитель.
Цифро-аналоговый преобразователь HP-A4 построен на базе 24-битного чипа PCM1792A и нативно поддерживает конвертацию звука в формате DSD. Ну, а мощности усилителя должно с запасом хватить для большинства высокоомных наушников.
Стоит отметить, что покупка комбайна не обязательно будет компромиссым решением. Чаще всего производитель подбирает комплектующие таким образом, чтобы ЦАП и усилительный тракт, если уж и не являлись идеальной парой, то хотя бы соответствовали характеристикам друг друга. Вдобавок, вместо двух отдельных устройств получается одно, и порой довольно компактное.
На мой взгляд, к единственному недостатку комбинированных решений можно отнести невозможность замены в тракте отдельно усилителя или ЦАП, в случае если выдаваемый системой звук не соответствует желаемому результату.
В таком случае стоит уже рассматривать покупку отдельных компонентов звукового тракта, что повлечет более серьезные финансовые вложения.
Вместо вывода
К сожалению, в вопросах качественного звука нет заведомо правильного ответа. Нет идеального сочетания устройств, и подчас невозможно добиться этого идеала. В выборе подходящего решения можно довериться только собственному слуху.
Спасибо компании Fostex за предоставленные усилители и ЦАПы.
Как собрать ЦАП своими руками
Эта статья поможет тебе собрать свой первый — а может, уже не первый? — цифроаналоговый преобразователь. В твоем распоряжении будет несколько концептов, как классических, так и весьма радикальных. Выбирай сам, что тебе по душе. Будет пара вариантов даже для тех, кто не дружит с паяльником!
Однозначно правильного способа сборки цифроаналоговых преобразователей не существует, потому что нет общей парадигмы. Есть только наборы: подходов, методов, школ и философий — и все это, по сути, наборы стереотипов.
Я расскажу о своем личном опыте, но опишу лишь основные моменты. Я не буду касаться реализации питания, усилителей, акустики и так далее — это уже дело вкуса.
Автор и редакция не дают никаких гарантий и не несут ответственности за любой вред, причиненный во время попыток повторить описанное в статье. Все, что ты делаешь, ты делаешь на свой страх и риск! Хотя все схемы проверялись на практике, они намеренно упрощены и представляют собой пример для объяснения принципа работы, а не законченное изделие.
Если захочешь повторить эксперименты, обрати внимание на предупреждение.
PCM DAC (ИКМ ЦАП)
Обычно звуковой тракт можно разделить на три части:
Источник
В качестве источника может выступать компьютер, планшет, телефон или микрокомпьютер вроде Raspberry Pi. В отдельных случаях источник и конвертер могут быть выполнены в одном устройстве — это проигрыватели с выходом I2S или микрокомпьютеры.
I2S-преобразователь (конвертер)
Преобразователи I2S могут подключаться к источнику с помощью разных интерфейсов: USB, S/PDIF, LAN. Есть еще вариации с Bluetooth, но нас они не интересуют, потому что высокого качества в такой системе не добиться. Скорость передачи данных Bluetooth очень мала, о Hi-Res (192 × 24, DSD) можно забыть сразу. Но даже при прослушивании MP3 (44,1 × 16), цифровой поток проходит через несколько цифровых фильтров, к тому же с обрезкой частоты звукового сигнала.
Кстати говоря, то же относится и к блютусным наушникам. Дело ухудшается тем, что в наушниках из-за малого размера сложно разместить полноценный ЦАП и питание к нему, поэтому, как правило, используют «урезанные» версии.
Самый распространенный вариант преобразователей I2S — конвертеры USB — I2S.
Все просто: подключаем к порту USB источника, устанавливаем драйвер и при проигрывании на выходе I2S получаем поток данных PCM или DSD. В операционной системе конвертер определяется как звуковое устройство или звуковая карта. Предложений конвертеров USB — I2S огромное количество, те же AliExpress или eBay выдадут вам десятки вариантов по запросу usb to i2s.
S/PDIF
Множество коммерческих — проприетарных — ЦАП подключаются через разъем S/PDIF.
Не так давно S/PDIF был популярным интерфейсом и встречался почти в каждой звуковой карте, даже в самых дешевых, встроенных в материнские платы ПК. Но не все знают, что почти всегда S/PDIF — это промежуточное звено и используется чаще в роли транспорта. Либо у источника, либо у ЦАП в большинстве случаев S/PDIF подключен через I2S. Другими словами, сигнал передается не напрямую, а вначале конвертируется из I2S в S/PDIF, а потом обратно.
Не берусь называть конкретные цифры, но считается, что потери при конвертации и передаче имеются. Кроме того, у S/PDIF есть и другие недостатки — скорость передачи и стоимость. Самые дешевые DIY-устройства USB to S/PDIF стоят около 4000 рублей, а передавать по ним возможно максимум PCM 192 × 24 или DSD64 через DOP.
Таким образом, использовать S/PDIF нецелесообразно, если есть другие варианты.
Теперь рассмотрим подключение I2S-конвертера по LAN (локальной сети). Для этого используются специальные программные плееры: Squeezelite, HQPlayer, Roon и другие. Они устанавливаются на основной компьютер, который выступает в роли передатчика (источника). При воспроизведении выполняется распаковка, декодирование и, если требуется, обработка цифрового потока. Далее цифровой аудиопоток через определенный сетевой протокол передается на приемник — чаще всего микрокомпьютер. Далее микрокомпьютер либо сам конвертирует полученный поток в I2S, либо передает поток на конвертер, подключенный к нему по USB. Существуют и самодельные решения, основанные, например, на микрокомпьютерах BeagleBone black или Raspberry Pi, и серийные решения различных производителей.
Часто встречаются устройства, которые объединяют в себе одновременно источник и конвертер, конвертер и ЦАП или сразу все в одном устройстве.
I2S ЦАП
Цифроаналоговых преобразователей с входом I2S огромное количество. Мы не будем рассматривать полностью собранные серийные ЦАП; нас больше интересуют самоделки. Самый простой и дешевый способ послушать тот или иной ЦАП — купить готовую самодельную плату с ЦАП. Можно поискать ЦАП без питания и предусиления, если захочешь допилить самостоятельно. Для первого раза можно взять что-нибудь простенькое и дешевое, как плата на чипе PCM5102A на фото.
Самодельная плата на чипе PCM5102A компании Texas Instruments
В качестве конвертера в моем случае будет Amanero компании Amanero Technologies.
Все необходимое для PCM5102A можно подать прямо с конвертера: питание — VIN соединить с контактом 3,3 В, землю GNG c землей конвертера GND, LCK c контактом FSCLK конвертера, DIN c DATA, BCK c BCLK. А вот SCK и MCLK в PCM5102A соединять не обязательно, он сможет работать и без дополнительной синхронизации. Но для повышения точности, если есть такая возможность, MCLK лучше все же подключать. Аналогичным образом этот ЦАП можно подсоединить и к Raspberry Pi.
Как видишь, все просто и специальных знаний не требуется! Подобным образом к I2S можно подключить и другие цифроаналоговые преобразователи. Для воспроизведения через USB подойдут практически любые плееры. На Raspberry Pi новичкам можно посоветовать Volumio, а более продвинутым слушателям сборку с Album Player.
Для начинающих этой информации хватит, особенно для первого раза. Для тех же, кто не боится трудностей, продолжу повествование, уровень сложности будет возрастать.
DSD ЦАП
Изучим на практике способы передачи и воспроизведения DSD.
Обычно поток данных DSD в самодельных устройствах передается от источника к цифроаналоговому преобразователю через I2S-конвертер. Далеко не все конвертеры поддерживают DSD, поэтому перед покупкой обязательно нужно удостовериться, что в спецификациях указана поддержка DSD. Самые дешевые конвертеры USB to I2S с поддержкой DSD — это преобразователи Amanero или их копии, а также конвертеры с применением процессоров XMOS.
Нужно учесть, что не все плееры поддерживают воспроизведение DSD и не все драйверы в состоянии передать чистый DSD (DSD native), даже если плеер на это способен. Ограничение драйвера можно преодолеть, используя DOP (DSD over PCM), соответственно, плеер тоже должен иметь возможность преобразования DSD в DOP.
В случае Amanero и XMOS поток DSD передается к ЦАП по тем же выходам I2S: DATA передает данные правого канала, LRCK — данные левого, а BCLK — битовую синхронизацию этих данных.
Воспроизвести поток DSD можно разными способами, стоит выделить три:
Проприетарный ЦАП
Большинство коммерческих ЦАП, которые поддерживают воспроизведение DSD, принимают и PCM, и DSD через один и тот же разъем I2S. В этом случае достаточно подключить контакты конвертера и ЦАП способом, описанным выше, и переключение между PCM и DSD будет работать автоматически. Бывают отдельные входы для DSD, но это реализовано для раздельного подключения устройств, использовать их в большинстве случаев не обязательно.
Воспроизведение через ФНЧ
Этот способ подкупает своей простотой и, кстати, неплохим звучанием. Суть его, как понятно из названия, заключается в воспроизведении DSD напрямую через фильтр нижних частот, без использования какого-либо цифроаналогового преобразователя. Когда я узнал об этом способе впервые, отнесся скептически, но оказалось, что звучит такой вариант лучше, чем все ЦАП, которые я слушал до этого. Не хочу никого убеждать, но сам я теперь вряд ли вернусь к проприетарным цифроаналоговым преобразователям.
Единственная проблема: контента, доступного в DSD, значительно меньше, чем в Audio CD. Но тут нас спасет конвертация PCM в DSD — она может выполняться как заранее, перед прослушиванием, так и в реальном времени. Делать это можно на ПК или мобильных девайсах с iOS и Android, а в качестве передатчика будет выступать I2S-конвертер.
Принцип работы
В формате DSD используется плотностно-импульсная модуляция, на выходе I2S рядом стоящие положительные импульсы (логические единицы) складываются в один продолжительный по времени импульс, и напряжение растет. Отсутствие положительных импульсов приводит к падению напряжения.
Поток логических единиц и нулей последовательный, так что, если подключить выход одного из каналов DSD к фильтру нижних частот и убрать постоянную составляющую, можно получить модулированный сигнал, который, в свою очередь, можно подать на вход усилителя. Подобным образом преобразовывали цифровой поток в аналоговый сигнал однобитные сигма-дельта-цифроаналоговые преобразователи.
Выбор фильтра
В качестве фильтра нижних частот может выступать простая RС- или RL-цепь, а для удаления постоянной составляющей сигнала достаточно обычного конденсатора.
Рассчитать такие фильтры просто. RC (сопротивление, емкость) рассчитывается по формуле fc = 1/2πRC, RL (сопротивление, индуктивность) — по формуле fc = R/2πL, где fc — частота среза фильтра, ее лучше выбирать в диапазоне от 25 до 50 кГц.
Для удобства можно использовать онлайновый калькулятор калькулятор.нехаев.рф.
Емкость конденсатора (на схеме справа) для удаления постоянной составляющей рассчитывается как RC ФВЧ — фильтр верхних частот.
По формуле fc = 1/2πRC, где в качестве сопротивления выступает переменный резистор на входе усилителя (предусилителя). Соответственно, R будет равно номинальному сопротивлению этого резистора. Емкость конденсатора нужно выбрать такую, чтобы частота среза не превышала 30 Гц. Можно также воспользоваться специальным калькулятором.
Важный момент: для нормального воспроизведения необходим фильтр с хорошей крутизной среза, иначе высокочастотные составляющие сигнала могут привести к интермодуляционным искажениям и перегрузке усилителя (предусилителя). Для увеличения крутизны среза используют фильтры нескольких порядков.
Выбор порядка фильтра и частоты среза будет во многом зависеть от усилителя (предусилителя). Например, для многих транзисторных усилителей ФНЧ первого порядка будет недостаточно, и это приведет к шумам и искажениям. А для ламповых усилителей ФНЧ первого порядка может быть вполне достаточно.
В выборе фильтра важно, как усилитель реагирует на высокие частоты. Определить это можно, меняя порядок фильтра и частоту среза. Необходимо будет искать компромисс между «звучанием» и уровнем искажений. При срезе ФНЧ ниже 20 кГц сильно ухудшается качество звучания, при слишком высоком срезе может появиться шум или эффекты перегрузки. На каких-то усилителях достаточно будет фильтра первого порядка и частоты среза в 40–50 кГц, а на других придется использовать ФНЧ второго-третьего порядка и понижать частоту среза до 25 кГц. Чем ниже частота среза ФНЧ, тем больше влияния на сигнал он оказывает, потому что уровень сигнала падает постепенно, затрагивая и другие частоты еще до выбранной частоты среза.
DIY ЦАП
Наконец мы добрались до собственноручной сборки ЦАП с минимальными затратами. Концепции будут расположены от самого простого варианта к более сложному.
Предусиление
При прослушивании через ФНЧ может понадобиться усилить низкий уровень громкости. Если усилитель недостаточно мощный или ты хочешь слушать музыку через наушники без подключения к усилителю, тебе понадобится предусилитель. Посмотрим, какие бывают варианты.
Стационарный вариант
Для стационарного варианта лучше всего себя зарекомендовали повышающие входные трансформаторы, например такой, как на фото.
Они увеличивают напряжение сигнала примерно в четыре раза, их можно подключить к балансному входу-выходу, диапазон воспроизводимых частот 20 Гц — 20 кГц. Стоимость примерно 2000 рублей за пару; это одни из самых дешевых трансформаторов, но свою задачу они выполняют.
У способа усиления с помощью трансформаторов, конечно, есть и недостатки.
Во-первых, цена: эти трансформаторы дешевые, но, если ты захочешь более качественный вариант, он может обойтись уже в десятки раз дороже.
Во-вторых, трансформаторы усиливают лишь напряжение, поэтому сами по себе их использовать нельзя, только в связке с усилителем.
Для использования необходимо убрать постоянную составляющую, для этого на вход трансформатора нужно последовательно подключить конденсатор. Причем конденсатор должен быть большой емкости, поскольку именно конденсатор и входное сопротивление трансформатора формируют фильтр высоких частот.
Для расчета емкости конденсатора нужно взять сопротивление трансформатора, в данном случае 600 Ом, и подставить в формулу fc = 1/2πRC; частоту среза следует выбирать минимальную. Я использовал конденсаторы на 22 мкФ, частота среза получилась около 12 Гц.
Старайся использовать качественные конденсаторы с низким значением ESR. Дело в том, что они могут оказать сильное влияние на сигнал, а ведь он будет проходить напрямую через них.
Еще нужно будет использовать ФНЧ, чтобы убрать высокочастотный шум. Здесь должно хватить фильтра первого порядка. Трансформаторы имеют определенную полосу пропускания, и при совместном использовании с ФНЧ увеличивается крутизна среза. С трансформатором логичнее всего использовать RL-фильтр (сопротивление, индуктивность), в котором в качестве сопротивления R будет выступать входное сопротивление трансформатора, а в качестве индуктивности — катушка индуктивности, в данном случае 2,2–2,7 мГн (миллигенри).
Индуктивный фильтр можно рассчитать калькулятором.
Такой способ предусиления хорошо подходит для стационарного использования, но носить с собой трансформаторы и усилитель, пусть даже небольшого размера, вряд ли кому-то захочется. Давай рассмотрим, как можно собрать переносное устройство, которое легко поместится в карман.
Портативный вариант
Для портативного варианта лучше всего подойдет предусилитель на микросхеме с однополярным питанием не более 5 В. Чтобы пойти по пути наименьшего сопротивления, в прямом и переносном смысле, хорошо бы собрать все в одном: активный ФНЧ и предусилитель на операционном усилителе. Подобрать и рассчитать такой фильтр можно и вручную, но проще всего использовать онлайн-приложения для расчетов, например Analog Filter Wizard компании Analog Devices или Filter Design Tool, предоставленный компанией Texas Instruments. Веб-приложения просты в обращении, тебе нужно указать следующие параметры:
Исходя из характеристик, выбирай микросхему, для которой будут производиться расчеты. Готово!
Я использовал Analog Filter Wizard, и у меня получилась следующая схема.
Спецификации
Если ты не любишь паять или не разбираешься в электротехнике, можешь купить готовый предусилитель с фильтром, например на AliExpress.
Но придется потратиться: таких фильтров нужно две штуки, по одной на канал. Или можно купить вариант на два канала.
Он рассчитан на балансное подключение, при котором каждый канал передается отдельно по трехпроводной схеме: по одному проводу передается основной сигнал, по второму проводу этот же сигнал в противофазе, а третий провод — это земля. Поэтому подключать напрямую — не лучшая идея. Но можно получить сигнал в противофазе, инвертируя выход DSD при помощи операционного усилителя, либо триггера Шмитта, либо логического инвертора.
Важно получить два идентичных сигнала в противофазе. Даже малейшие различия будут оказывать значительное влияние на выходной сигнал.
При выборе элементов обязательно нужно обратить внимание на то, с какой частотой они могут работать, потому что частота потока DSD может варьироваться от 2822,4 до 24 576 кГц. Также настоятельно рекомендую использовать гальваническую развязку.
Так реализуется подключение по балансной схеме. В интернете можно найти и другие варианты готовых фильтров-предусилителей.
Сборка портативного варианта
Если ты не ищешь легких путей, давай перейдем к сборке.
Железо
В качестве I2S-конвертера можно использовать следующие платы.
В качестве фильтра и предусилителя используем AD8656 — операционный усилитель.
Также понадобятся расходники — резисторы и конденсаторы, указанные в схеме подключения.
В идеале для контактов FSCLK и DATA нужно использовать гальваническую развязку. Развязку ищи с запасом по скорости передачи данных — от 25 Мбит/с, а напряжение питания развязки выбирай в диапазоне 2,7–5,5 В. Для питания операционного усилителя лучше всего использовать отдельный малошумящий стабилизатор напряжения. На входе можно добавить сопротивление для ограничения уровня сигнала, а на выход добавить ФНЧ. Вот и все!
Получившееся устройство не занимает много места, и его можно подключить через OTG к телефону или планшету.
Драйверы для Windows для Amanero и китайской реплики (ATSAM3U1C XC2C64A) можно скачать с сайта Amanero. В Linux и Android драйверы не нужны, на iOS, вероятно, тоже.
Для мобильных устройств существуют десятки плееров с поддержкой Hi-Res PCM. Однако через фильтр можно слушать только DSD, поэтому необходима конвертация PCM в DSD. К счастью, есть плеер, который конвертирует в реальном времени, — Onkyo HF Player. Этот плеер из MP3 и FLAC может конвертировать в DSD64 и 128. При помощи Onkyo HF Player ты можешь слушать практически любую музыку через простой ФНЧ. Жаль, конечно, что плеер не бесплатен: для Android он стоит 699, а для iOS — 749 рублей.
Воспроизведение DSD через ФНЧ выигрывает по сравнению с классическим способом воспроизведения через ЦАП.
Во-первых, звук получается гораздо лучше, чем на многих ЦАП.
Почему так? Основная составная часть дельта-сигма-ЦАП — это цифровая обработка сигнала. Представь сложный цифровой фильтр с многократным оверсемплингом, модулятором 5–7-го порядка с dithering или noise shaping. Тут требуется серьезная вычислительная мощность, которая в ЦАП ограничена, тогда как в современных процессорах для смартфонов она в разы больше. Соответственно, на смартфоне можно реализовать более качественную цифровую фильтрацию и модуляцию.
Почему производители не добавляют мощные процессоры в ЦАП — загадка! Может, экономят, а может, считают, что обработкой должно заниматься отдельное устройство. Например, Asahi Kasei Microdevices (AKM) выпускают отдельно DSP, которые занимаются конвертацией, в том числе c оверсемплингом, — и отдельно ЦАП с режимом bypass.
Чтобы освежить в памяти термины и теорию, смотри мою прошлую статью о цифровом звуке.
Во-вторых, воспроизведение DSD через ФНЧ существенно экономит деньги, ведь стоимость хорошего ЦАП, даже китайского, будет гораздо выше.
Итого
Плюсы
Минусы
Сборка стационарного варианта
Этот вариант будет гораздо сложнее в реализации, но оно того стоит.
Железо
Наилучший результат даст использование BeagleBone black или BeagleBone green в качестве I2S-конвертера.
BeagleBone — единственный микрокомпьютер, для которого есть открытый драйвер с поддержкой подключения внешнего генератора тактовой частоты. К внешнему генератору можно подключить как сам конвертер, так и ЦАП, если он есть. Это позволит снизить количество ошибок при передаче данных по I2S. А еще мы можем сами выбирать, какого качества и какой частоты генератор использовать.
ЦАП для прослушивания DSD в этом варианте не требуется. Но важно подключение качественных генераторов 45 158,4 и 49 152 кГц при воспроизведении DSD 256, 512, потому что частота однобитного сигнала будет очень высокой — 11 289,6 и 22 579,2 кГц соответственно. Частота тактового генератора MCLK должна быть хотя бы вдвое больше частоты передаваемых данных, иначе могут возникнуть ошибки при передаче.
Внешний клок
Первое, что тебе потребуется, — внешний генератор тактовой частоты, в простонародье «клок». У тебя, как обычно, два пути: если ты дружишь с паяльником, можешь собрать его самостоятельно, если нет — купить готовое решение.
У Павла Погодина есть проект DSC — ЦАП под открытой лицензией. На сайте выложена документация к ЦАП Павла, там же ты найдешь схему реклокера для BeagleBone. В этой схеме реализовано подключение внешних клоков и автоматическое переключение их под частотные сетки 44,1/48. Можешь взять ее за основу и собрать нечто похожее.
Эта плата разработана для воспроизведения как PCM, так и DSD, но если тебя, как и меня, интересует исключительно воспроизведение DSD, то можно обойтись только следующей частью схемы.
Все названия элементов и номиналы указаны в документации (PDF).
И конечно, самый простой, но затратный способ — купить готовые генераторы.
Самые дешевые из более-менее приемлемых генераторов выглядят так
Чтобы генератор автоматически переключался под частотные сетки 44,1/48, придется все-таки взять в руки паяльник и распаять селектор U7 (74AUP2G157) указанный на схеме выше, — иначе генераторы надо будет переключать вручную. Например, для прослушивания CDDA, MP3 и DSD потребуется только генератор 45 158,4 кГц, но, если ты захочешь слушать «винилрипы» с частотой дискретизации 96 и 192 кГц, понадобится уже генератор 49 152 кГц.
Номера контактов указаны для дистрибутива mini Botic7 (архив), собранного Павлом Погодиным. К контактам DSD1 и DSD2 нужно подключить фильтр, и устройство будет готово к работе.
Теперь поговорим о программной части. Начнем с драйвера.
Для BeagleBone black/green существует открытый драйвер, написанный участником форума diyaudio.com под ником Miero.
В нашем случае менять ничего не придется. Нужно только скачать прошивку для BeagleBone black (архив), в ней уже имеется этот драйвер. Скачанную прошивку записываем на карту microSD при помощи, например, программы dd в Linux или Rufus в Windows. Затем вставляем карту в разъем на микрокомпьютере, зажимаем кнопку рядом с этим разъемом и подключаем питание. Через несколько секунд кнопку можно отпускать. Плата должна начать загрузку, весело мигая светодиодами.
По умолчанию будет загружен профиль с клиентом для HQPlayer, именно он нам и нужен. Также прошивку можно скопировать во внутреннюю память BeagleBone black, инструкции есть на сайте Павла Погодина.
HQPlayer — лучший вариант для воспроизведения с конвертацией PCM в DSD, поскольку у него самый большой набор модуляторов и цифровых фильтров. Он поддерживает 11 сигма-дельта-модуляторов, 30 цифровых фильтров, oversampling до 98,304 мГц (DSD 2048), а также технологию CUDA.
Конечно, oversampling в DSD 2048 — это перебор, тем более в нашем случае: BeagleBone black и Amanero могут воспроизводить максимум DSD 512. Плюс далеко не все компьютеры потянут даже DSD 256 на «тяжелых» цифровых фильтрах со сложными модуляторами. Цифровые фильтры в HQPlayer очень качественные и требуют большой вычислительной мощности.
У этого плеера есть свои минусы. Во-первых, плеер платный, причем не из дешевых; во-вторых, он поддерживает крайне ограниченный набор форматов: CDDA, FLAC, DSDIFF, DSF, RIFF, AIFF — и, к сожалению, не поддерживает CUE. Впрочем, его не обязательно покупать. Плеер в пробной версии позволяет прослушивать музыку без ограничений в течение 30 минут, а после просто закрывается. И ничто не мешает открыть его заново и использовать еще много раз по полчаса, пока не надоест.
Все недостатки перевешивает его вариативность и отличный звук. Плеер позволяет добиться очень качественного звучания. Цифровой фильтр и модулятор — это основная часть сигма-дельта-ЦАП. Их различные варианты как раз и реализованы внутри этого плеера, что позволяет подобрать качество цифровой обработки в зависимости от быстродействия компьютера. При использовании с BeagleBone black или Amanero HQPlayer становится тонко настраиваемым сигма-дельта-цифроаналоговым преобразователем с огромными вычислительными ресурсами в виде твоего компьютера.
Для подключения к BeagleBone black в настройках HQPlayer нужно выбрать в выпадающем меню Backend пункт NetworkAudioAdapter. В выпадающем списке Device должен появиться Botic7: Botic при условии, что основной компьютер с HQPlayer и микрокомпьютер BeagleBone находятся в одной подсети и имеется DHCP-сервер. В параметре Default Output Mode выбираем SDM (DSD), параметр Bit rate (/limit) для начала лучше выставить 44,1k х64. В третьей и четвертой версиях плеера настройки выглядят по-разному.
Дальнейшие настройки ты сможешь подобрать эмпирическим путем, исходя из своего вкуса (слуха) и производительности компьютера.
Теперь к DSD-выходам BeagleBone black нужно подключить ФНЧ. Чтобы убрать шумы от питания и пульсации светодиодов, лучше всего использовать гальваническую развязку. Вот и все, устройство готово!
Итого
Плюсы
Минусы
Минусы обнаружились только у плеера, их я уже перечислил.
Проект DSC и ПЛИС
При воспроизведении через ФНЧ есть лишь один недостаток — сигнал на выходе одноуровневый. Но при высокой частоте дискретизации влияние шума сводится к минимуму, к тому же при определенных затратах можно решить и эту проблему.
Проект самодельного ЦАП DSC, созданный Павлом Погодиным, может стать высококлассной альтернативой технологии DEM. Но, судя по всему, коммерческий ЦАП по схеме Погодина будет дороговат. Даже китайские самопальные платы, собранные по первым версиям DSC, стоили больше 10 000 рублей, а ведь сверху прибавится цена прецизионных компонентов, питания и корпуса.
Можно, конечно, копить деньги и ждать выхода ЦАП, но меня, например, это не устраивает. Поэтому я решил перенести проект DSC на ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема). Надеюсь, Павел не останется в обиде за это.
Для сборки мне понадобится собственно ПЛИС. Я выбрал одну из самых дешевых — Altera MAX II (EPM240T100C5). В ней 240 логических элементов и 100 выводов. Для современных ПЛИС это скромные показатели, зато и цена скромная — от 500 рублей.
За основу была взята схема версии DSC 2.5.2/2.6.2 (PDF).
Проект DSC основан на сдвиговом регистре 74AHCT595; восемь таких регистров формируют один звуковой канал, правый или левый. Первые четыре регистра подключены друг к другу и составляют один большой сдвиговый регистр на 32 параллельных выхода, эти четыре регистра формируют положительную волну. Другие четыре регистра подключены друг к другу аналогичным образом и формируют отрицательную волну. На вход первых четырех регистров подаются DSD-данные в исходном виде, а на вход других четырех — эти же данные, но с инверсией. К параллельным выходам этих регистров подключены резисторы, соединенные в две шины — одна для положительной волны, другая для отрицательной. Эти шины формируют балансный аудиовыход.
Принцип работы DSC похож на принцип работы мультибитного ЦАП, только данные на выходах меняются постоянно, а не по кадрам LRCK и каждый бит данных имеет одинаковый вес. Выходной сигнал в таком ЦАП, по сути, представляет собой сумму отдельных сигналов с выходов регистров.
Графический проект
В библиотеке среды разработки Quartus Prime, в которой и будет компилироваться прошивка для ПЛИС, есть готовая модель сдвигового регистра, именно того, что используется в оригинальном DSC, 74AHCT595.
Также в Quartus Prime можно собрать логическую схему полностью в графическом виде, не изучая никаких языков описания и программирования. Сделать схему просто, как в программах для рисования схем.
Но есть проблема: в выбранный ПЛИС Altera MAX II не влезает целиком схема оригинального DSC, так что ее придется упростить. У MAX II всего 100 выводов (причем не все из них можно использовать), а для DSC нужно как минимум 128 выводов. Придется отказаться от балансного выхода! Чуть позже я расскажу, как сделать полный вариант. А пока отложим в сторону сдвиговые регистры отрицательной волны и лишние логические элементы для инверсии сигнала.
Остается только назначить выводы, скомпилировать проект и загрузить в ПЛИС.
После загрузки прошивки нужно подключить резисторы к пинам ПЛИС и объединить их выходы по оригинальной схеме DSC.
Далее нужно подключить ФНЧ и конденсатор к общему выходу резисторов, чтобы убрать паразитные высокие частоты и постоянную составляющую сигнала.
Выход ФНЧ подключаем к усилителю, а на входные контакты подаем DSD c BeagleBone black или Amanero. Облегченная версия проекта DSC готова!
Проект на Verilog, stereo
Для оптимизации и расширения возможностей я перенес логику работы DSC на язык описания схем Verilog HDL. В результате количество используемых логических элементов в ПЛИС сократилось почти вдвое. Для наглядности я создал смешанный проект, где верхний уровень представлен в графическом виде, а вложенные блоки описаны кодом Verilog.
Блоки SR — это сдвиговые регистры, по сравнению с 74AHCT595 они значительно упрощены. На языке Verilog их код выглядит так:
