hifiduino
В LG V20 нет t должен быть выпущен до завтра, но компания была занята дразня нас некоторыми из предстоящих функций телефона. Самым интригующим является наличие первого в истории Quad DAC, упакованного в смартфон. Этот термин привел к некоторой путанице, и некоторые задаются вопросом, считает ли LG количество выходов или существует несколько ЦАП для разных аудиотрактов. Уверяю вас, что это не так, но правильное объяснение намного сложнее. Конечно, я здесь для этого.
Мы почти уверены, что LG V20 будет использовать новейший компонент ES9218 от ESS Technologies. На странице для прессы компании опубликовано заявление LG о V20, а через несколько дней — сообщение о новом ЦАП ES9218 Quad DAC для мобильных устройств. Довольно простое подключение.
Изучение пресс-релиза показывает, что ES9218 — это 32-битный компонент, поддерживающий 394 кГц и DSD512, с некоторыми изящными элементами управления аналоговым звуком, элементами управления джиттером и встроенными наушниками. усилитель звука. Но об этом позже. Чип также обещает 130 дБ SNR, 124 дБ DNR и -112 дБ THD + N, чтобы порадовать аудиофилов. Важно отметить, что в выпуске говорится, что это стереофонический (2-канальный) компонент без упоминания дифференциального выхода, поэтому теория четырех выходов мгновенно выходит за рамки окна. Несмотря на это, релиз по-прежнему загроможден ссылками на эту загадочную технологию «Quad». Итак, давайте попробуем разобраться в этом.
Прежде чем мы углубимся в это долгое путешествие, давайте рассмотрим две вещи. Во-первых, LG и ESS держат в секрете ЦАП и свои технологии, поэтому вся эта статья основана на сборе кусочков информации вместе с моими собственными знаниями аудиоэлектроники — так что я могу ошибаться. Во-вторых, это будет довольно тяжелая статья, но придерживайтесь ее, у вас будет отличное понимание современных технологий ЦАП. И никогда не знаешь, когда это может пригодиться, если захочешь поиграть в скучную вечеринку.
Глубоко вздохни, мы идем.
Внутри современного ЦАП
Давайте начнем с краткого обзора того, что такое ЦАП и его ключевые внутренние компоненты. По сути, ЦАП берет цифровые данные из вашего аудиофайла и преобразует их в аналоговую форму волны, которую можно отправить в наушники или драйвер динамика. Идея состоит в том, чтобы воспроизвести аналоговый сигнал с минимально возможным добавлением шума или искажений, но на самом деле это сложнее, чем кажется.
Сигнал цепочка внутри 24-битного, 192 кГц Stereo Cirrus Logic CS4398 ЦАП.
ЦАП состоят из различных каскадов, обычно состоящих из каскада передискретизации, ΔΣ (сигма-дельта) модулятора , фильтр, прореживание и, наконец, выходной фильтр или усилитель для наушников. Вся эта технология основана на одном важном принципе — формировании шума для улучшения разрешения. Сигма-дельта модуляторы используются в аудио ЦАП, потому что они более рентабельны для реализации при высоких разрешениях, чем эквивалентные сети с конденсаторной или резисторной коммутацией.
Интерполяция (передискретизация) распространяет шум квантования на большее количество частот, облегчая фильтрацию.
Первым этапом ЦАП является передискретизация, обычно выполняемая в процессе интерполяции. Интерполяция — это форма повышающей дискретизации, при которой математические формулы используются для аппроксимации значений между частями данных. Например, для файла с качеством компакт-диска 44,1 кГц можно выполнить передискретизацию 4 раза для получения выходного сигнала 176,4 кГц или 16 раз для достижения огромной частоты дискретизации 705,6 кГц. Это не улучшает качество вашего аудиофайла напрямую, но дает очень полезное преимущество в виде распространения шума наложения спектров на гораздо более высокие частоты. Шумовое напряжение в слышимом спектре уменьшается на 3 дБ при каждом удвоении коэффициента передискретизации, хотя общая мощность шума во всем частотном диапазоне остается неизменной. Если бы мы затем отфильтровали этот новый сигнал с более высокой частотой дискретизации до нашего исходного диапазона слышимости, мы бы сократили количество шума.
Следующая часть ЦАП — цифровой сигма-дельта-модулятор. Этот модулятор преобразует данные цифрового аудио с ИКМ (импульсно-кодовой модуляцией) в битовый поток PPM (импульсная пропорциональная модуляция), который может быть отфильтрован в более знакомую форму волны. Он принимает наш 16- или 24-битный сигнал и преобразует его в 1-битный поток данных, но с гораздо более высокой частотой дискретизации. Это распространяет шум по еще большему количеству частот.
Во время этого преобразования применяется формирование шума, чтобы поднять плотность шума квантования до гораздо более высоких частот. Шум в слышимом диапазоне падает на 9 дБ на каждое удвоение частоты передискретизации с формированием шума. Это может быть увеличено до 15 дБ на удвоение частоты дискретизации с помощью сигма-дельта-модулятора второго порядка, что намного лучше, чем использование только интерполяции.
Цепочка сигнала внутри сигма-дельта модулятора первого порядка и результирующий форменный шум. Обратите внимание на использование 1-битного ЦАП с обратной связью.
Максимально интегрированный
Это формирование шума генерируется контуром обратной связи с коррекцией ошибок, где вход сигнал сравнивается с квантованным выходным сигналом. Разница между этими двумя сигналами взвешивается по частоте в петлевом фильтре. Суммируя это напряжение ошибки, интегратор действует как фильтр нижних частот для входного сигнала и фильтр верхних частот для шума квантования.. Внимательно посмотрите на этот этап обратной связи, и вы увидите, что сигнал обратной связи генерируется 1-битным ЦАП, который мы будем называть суб-ЦАП. Итак, внутри ЦАП есть ЦАП, и это то, что мы более подробно рассмотрим в отношении LG V20 через минуту.
Аналоговый Для повышения производительности ЦАП используется комбинация передискретизации, формирования шума и фильтрации.
После модулятора фильтр нижних частот и цифровой дециматор используются для фильтрации высокочастотного шума и уменьшения частоты дискретизации. Остальные данные с высокой частотой дискретизации являются избыточными, поскольку нам нужна только частота дискретизации, вдвое превышающая нашу максимальную слышимую частоту. Таким образом, прореживатель по существу вырезает отсчеты до тех пор, пока мы не вернемся к частоте дискретизации, удовлетворяющей требованию Найквиста.
Превосходное формирование шума ( Квадробит, клянусь)
Хорошо, я очень надеюсь, что вы все еще со мной, потому что теперь, когда мы немного понимаем сигма-дельта модуляторы и формирование шума, мы можем наконец-то перейдем к таинственной части четырехканального ЦАП.
Как я вкратце упомянул, можно улучшить шумовые характеристики сигма-дельта модулятора за счет использования многоуровневых схем. Это очень важно, если мы хотим создать ЦАП, который приближается к 16-битному разрешению или превосходит его для получения высококачественного звука. К счастью, умные инженеры усовершенствовали этот основной дизайн, который может значительно улучшить шум и разрешение. Либо за счет использования многобитовых, многоступенчатых архитектур более высокого порядка, либо их комбинации. Именно на последнем мы и собираемся здесь сосредоточиться, поскольку параллельная конструкция суммирует выходной сигнал от нескольких суб-ЦАП для повышения производительности. Это использование нескольких суб-ЦАП, о которых ESS, вероятно, упоминает в своем названии Quad DAC.
TI Использование многоуровневых модуляторов приводит к более высокочастотному шуму, но меньшему шуму в слышимом диапазоне, который нас действительно волнует.
Многокаскадные сигма-дельта-модуляторы могут иметь каскадную, полосовую или параллельную конструкцию или какой-либо гибридный подход, основанный на всех вышеупомянутых принципах. Мы не знаем точно, что происходит внутри ES9218, поскольку конструкция модулятора невероятно сложна и часто хранится в строжайшем секрете. Однако, поскольку ES9218 может похвастаться «параллельным четырехканальным цифро-аналоговым преобразователем», мы, вероятно, рассматриваем некую конструкцию параллельного суб-ЦАП.
upenn.edu Сложные многопорядковые и параллельные конструкции ΣΔ-модулятора могут значительно улучшить шумовые характеристики.
Мы не будем углубляться в технические аспекты дизайна, так как мы можем продолжать разбивать параллельный дизайн на различные возможные суб-проекты; такие как многодиапазонный, с временным чередованием или Адамара; не приближаясь к точному пониманию того, что делает ESS. Вместо этого достаточно понять, что параллельная структура суб-ЦАП может улучшить шумовые характеристики обычно на (6 x N-го порядка) дБ на октаву приращения количества каналов. Альтернативный способ взглянуть на это состоит в том, что выходные сигналы суммируются, в то время как больше случайных шумовых ошибок квантования иногда компенсируются из-за их нефиксированного фазового соотношения.
Проще говоря, удвоение количества ΣΔ модулятора Каналы (суб-ЦАП) улучшают шумовые характеристики в 6 дБ по сравнению с порядком модулятора. Таким образом, простая конструкция с двойным модулятором предлагает дополнительные 6 дБ SNR по сравнению с одноканальным модулятором, в то время как аналогичная четырехпараллельная конструкция улучшает SNR на 12 дБ. Кроме того, сдвоенные модуляторы ΣΔ второго порядка улучшат отношение сигнал/шум на 12 дБ, конструкция с четырьмя модулями второго порядка может улучшить производительность на 24 дБ и так далее.
Сигналы от каждого пути ЦАП складываются вместе, но шума нет, что приводит к более высокому сигналу с меньшим увеличением шума. Каждое удвоение количества преобразователей приводит к снижению шума децимации вдвое — Кен Хонг, директор по глобальным коммуникациям LG
Независимо от того, что именно ESS делает внутри своего Новый чип, это важная схемная архитектура, о которой компания почти наверняка говорит с точки зрения дизайна Quad, вместо того, чтобы соединять 4 ЦАП вместе для нескольких выходов или использовать специальные компоненты для динамиков, наушников, USB Type-C и т. д.
Плюсы и минусы
Наряду с улучшением отношения сигнал/шум ЦАП, параллельные суб-ЦАП также могут повысить энергоэффективность микросхемы. Например, можно снизить частоту дискретизации, сохранив при этом такие же шумовые характеристики в одноканальной системе. Системы также могут включать и выключать отдельные схемы суб-ЦАП, в зависимости от того, требуются ли им дополнительные шумовые характеристики или нет для источников различного качества.
Режим пониженного энергопотребления Quad DAC отключается. отключите три из четырех ЦАП, когда они не нужны, чтобы увеличить время автономной работы при воспроизведении звука низкого качества или при использовании гарнитуры более низкого качества. — Кен Хонг, директор по глобальным коммуникациям LG
Однако отдача от экономии энергии постепенно уменьшается по мере того, как добавляется больше каналов. Кроме того, каждый канал и уровень дополнительного порядка добавляют к ЦАП значительное количество схем, что делает его более дорогим и сложным в производстве. Системы ЦАП очень высокого класса могут использовать 8, 16 или более модуляторов параллельно, но это связано с гораздо более высокими затратами на разработку и требованиями к питанию..
Другие особенности ЦАП
ES9218 — это нечто большее, чем просто новая причудливая архитектура. Чип также может похвастаться аналоговым регулятором громкости, устранителем джиттера во временной области и встроенным переключателем обхода выходного сигнала.
Последний довольно простой, он разработан, чтобы позволить источникам обходить более причудливые функции ЦАП, когда исходный вход не требует высококачественного преобразования. Вероятный пример в телефоне может включать речь во время телефонного звонка или видеозвонка. Это должно помочь сэкономить на энергопотреблении, что является важной функцией на мобильных устройствах.
Реальные высокоскоростные часы демонстрируют джиттер, который может привести к некорректному считыванию данных при тактировании по нарастающему или спадающему фронту.
Время Устранение джиттера домена немного сложнее, но я постараюсь избавить вас от излишнего технического жаргона. Джиттер — это термин, используемый для обозначения несоответствия синхронизации между потоком данных и синхронизирующими часами, которое может привести к высокочастотным искажениям, если биты считываются неправильно.
Для борьбы с этим ESS реализует отдельный низкий уровень — эталонный тактовый сигнал джиттера для управления цифро-аналоговым преобразованием, сопровождаемый асинхронным преобразователем частоты дискретизации, который анализирует тактовый сигнал входящих данных и корректирует поток битов данных с помощью алгоритма. По сути, чип запускает два отдельных внутренних тактовых генератора, чтобы гарантировать, что каждый бит данных читается правильно.
Коррекция Apogee Jitter добавляет еще один уровень предотвращения шума.
Наконец, аналоговый регулятор громкости в значительной степени соответствует своему звучанию. Вместо того, чтобы регулировать громкость в цифровой области, которая может быстро подтолкнуть желаемый сигнал к минимальному уровню шума, ESS разработала специальную аналоговую схему, которая пытается ограничить влияние шума при уменьшении амплитуды сигнала. Компания утверждает, что ее конструкция обеспечивает отношение сигнал/шум 130 дБ даже при низких уровнях прослушивания.
В микросхеме также есть встроенный усилитель для наушников, поэтому разработчикам не придется разрабатывать дополнительную схему усилителя для привод наушников.
Заключение
ESS приложила много усилий для разработки ЦАП с очень низким уровнем шума и искажений для смартфонов с ES9218 и LG V20 будет первым телефоном, использующим эту технологию. Хотя мы не можем быть уверены, что именно делает ESS со своим дизайном «Quad DAC», в результате должен получиться компонент, который сможет максимально использовать аудиофайлы высокого разрешения с шумовыми характеристиками, выходящими за пределы разрешения 16 бит.
Несмотря на название, конструкция Quad DAC не обязательно лучше, чем все остальное, представленное на рынке прямо сейчас, поскольку существует огромный диапазон потенциальных проектов, каждый со своими достоинствами и недостатками. Тем не менее, ES9218, безусловно, выглядит очень многообещающим компонентом.
Мы, безусловно, с нетерпением ждем возможности послушать LG V20.. Будет ли ЦАП телефона важным фактором при принятии решения о покупке следующего флагманского смартфона LG?
