ЦАП для Alpine PXA-H800 от andr_l. Измерения и доработки.

ЦАП для Alpine PXA-H800 от andr_l. Измерения и доработки.

Ко мне на стол попал цифровой аудио процессор Alpine PXA-H800 с установленной на нём платой ЦАП от andr_l из форума Блюзмобиля:
 
Процессор уже был в доработке в руках Halin-а. Установлен вентилятор охлаждения, заменены конденсаторы, заменены выходные RCA.
От владельца просьба звучала не конкретно: «Проверить уровень шумов, контакты, ёмкости и т.д.». Что из этого вышло – читайте дальше.  Поскольку переделанный алпайн был у меня в первый раз, мне самому стало интересно разобраться. Исследование этого процессора я разбил на две подзадачи:
1)    Измерение характеристик математического тракта цифрового процессора, его фильтров;
2)    Измерение характеристик ЦАП и всего тракта в целом.
Для измерений я подготовил следующие инструменты:
- Аналоговые измерения производятся с помощью внешней звуковой карты Creative E-MU 0202 на частоте 44.1,  48 и 96 кГц, разрядность 24 бита.
- Для измерений цифрового тракта я подготовил цифровой источник S/PDIF сигнала с частотами 44,1 и 48кГц, разрядностью 16 бит. Источник выдаёт на выход сигнал 1кГц с уровнями 0, -3, -6, … -18дБ, -60дБ, цифровой ноль:
 
Перед измерениями я проверил качество цифрового источника, подав его сигнал на мой тестовый ЦАП, и измерил искажения с помощью E-MU 0202:
 
Искажения всего тестового тракта не превысили 0,0035% или -92дБ. Для измерений достаточно.
Управление процессором велось с помощью штатной программы Alpine Sound Manager, в которой для измерения выключалась всякая обработка сигналов:
 

Измерения цифровой части.

Для измерения характеристик цифрового процессора я подключил левый канал выхода E-MU 0202 через разветвитель к аналоговому входу Alpine. К левому входу E-MU подключил входной сигнал, к правому – сигнал с выхода процессора Alpine. Выставил входные и выходные уровни без ограничения сигнала. Здесь я нашёл одну неточность в управлении процессора: выбор уровня входного сигнала. В программе для аналоговых уровней ест два значения: «high gain» и «low gain». Исходя из значений, первое обозначает большое усиление и маленький уровень сигнала на входе процессора, второе наоборот, большой уровень сигнала и маленькое усиление. В действительности,  «high gain»  означает высокий уровень на входе, а «low gain» - низкий уровень.
Подключив измерительную систему и подав на вход белый шум, я измерил АЧХ процессора и задержку обработки сигнала:
 
АЧХ получилась ровной, задержка обработки составила ровно 6 мс.

Исследование фильтров

Измерения показали, что при любых порядках используется фильтр Баттерворта. Измеренные характеристики соответствуют аналоговым фильтрам соответствующих порядков:
ВЧ фильтр 200Гц 1 порядка:
 
ВЧ фильтр 200Гц 2 порядка:
 
ВЧ фильтр 200Гц 3 порядка:
 
ВЧ фильтр 200Гц 4 порядка:
 
НЧ фильтр 400Гц 1 порядка:
 
НЧ фильтр 400Гц 2 порядка:
 
НЧ фильтр 400Гц 3 порядка:
 
НЧ фильтр 400Гц 4 порядка:
 

Измерение корректности задержек.

Подав на вход белый шум и отключив фильтры, я менял задержку сигнала в канале и получил вполне корректные временные задержки сигнала. Не забудьте, что нулевая задержка это 6 мс:
 
Задержка 2,05мс:
 
Задержка 4,00мс:
 
Задержка 10,00мс:
 
Задержка 20,00мс:
 

Измерение уровня выходных сигналов.

На входе цифра 0дБ 1кГц. Фильтры выключены. Уровень громкости 0 дБ.
Таблица с измерениями всех выходов:
Уровень выходного сигнала, В
До коррекции    CH1    CH2    CH3    CH4    CH5    CH6    CH7    CH8
0дБ                     5,1       5,11     5,11    5,09     5,09     5,07    5,14    5,05
Уровень выходных сигналов явно выше, чем заявлен в характеристиках процессора (4 В).

Измерение уровня нелинейных искажений.

Коэффициент гармоник с аналогового входа:
 
Для двойного преобразования цифра/аналог/цифра/аналог/цифра 0,07% - вполне неплохой результат.
Коэффициент гармоник с цифрового входа:
 
А вот здесь меня ждала засада. Убрав одно из преобразований, я должен был получить значительно меньший уровень искажений, чем при аналоговом подключении, а получил наоборот. Может быть дело в слишком большом уровне выходного сигнала? Уменьшаем уровень громкости до -20дБ:
 
Картина не изменилась. Я попробовал подавать на вход цифровой сигнал с меньшим уровнем.
Вот такая картина при входном уровне -6дБ:
 
Уже лучше. При-9дБ:
 
Ещё лучше. А при -12дБ:
 
Получившаяся картина очень даже хороша.
Заодно измерим уровень шумов при цифровом ноле на входе:
 
- 99 / -103дБ хороший результат.
Какой вывод можно сделать по результатам этих экспериментов? В составе процессора вначале идёт цифровой блок обработки сигналов, затем ЦАП, а затем регулятор громкости. Искажения на выходе появляются при уровне сигнала на выходе ЦАП выше -9дБ. Значит, налицо несогласование уровней на выходе ЦАП и на входе регулятора громкости. Я не знаю, как можно было пропустить такой простой косяк при изготовлении и настройке Hi-End ЦАП. Однако, оставим этот вопрос на потом, а сейчас закончим измерения процессора.

Измерения процессора на разных частотах тактирования. 

Alpine PXA-H800 предназначен для воспроизведения звука и от DVD источников, и от CD. Поэтому он должен уметь работать с частотами как 44,1 кГц, так и 48кГц.
Вот тестовый сигнал с частотой на входе 48 кГц, оцифрованный на выходе также с частотой 48 кГц:
 
Артефактов преобразования частот не видно. Кроме искажений от перегрузки больше ничего.

Вот тестовый сигнал с частотой на входе 44,1 кГц, оцифрованный на выходе с частотой 44,1 кГц:
 
Видно множество артефактов преобразования частот в виде небольших пиков слева и справа от основных гармоник сигнала. Тестовая частота стала ниже, чем 1 кГц. Это из-за того, что цифровой сигнал рассчитан на 48кГц, и при воспроизведении с меньшей скоростью получается меньшая частота тестового сигнала.
Вот тестовый сигнал с частотой на входе 44,1 кГц, оцифрованный на выходе с частотой 48 кГц:
 
Артефакты есть, в основном их видно слева и справа от основного сигнала, но их количество и уровень гораздо ниже.
Что это значит? Это значит, что процессор Alpine PXA-H800 всегда работает на частоте 48 кГц. Если на вход приходит поток с частотой 44,1 кГц, процессор его преобразует в 48кГц. Довольно коряво, кстати сказать. Да, CD Audio формат – не конёк этого процессора.

Теперь можно открыть процессор. Общий вид:
 
Плата ЦАП. Эта картинка мне знакома по фото из форумов:
 
После цаповый выхлоп вблизи:
 
Монтаж на плате красивый и аккуратный. Повода к основной плате закреплены. Однако, преобразователь питания смонтирован навесным монтажом, и провода от него к плате ЦАП натянуты, как растяжка на гранате. Ну, это так, мелочи и придирки.

Доработка. Шаг 1.

Первым делом я решил устранить перегрузку регулятора громкости. Для этого мне нужно уменьшить уровень сигнала на выходе ЦАП примерно на 9 дб. В результате уменьшится напряжение на выходе процессора, но, поговорив с заказчиком я понял, что этот момент не будет критическим в его аудиосистеме.
Поставить делители на выход ЦАП? Не наш метод. Увеличится выходное сопротивление ЦАП, это может плохо сказаться на регулировке громкости. Я срисовал схему фильтра с платы и изменил выходное напряжение преобразователя ток/напряжение на микросхеме OPA1632. Одновременно с изменением сопротивлений потребовалось изменить номиналы конденсаторов, так как все элементы выхлопа играют роль после ЦАПового фильтра. Конденсаторы поставил правильные, серии NP0.
Изменив таким образом половину каналов, я измерил получившийся сигнал. Для наглядности я подключил левый канал к доработанному выходу, а правый канал – к тому, в котором не было доработок. Уравнял сигналы на входе E-MU. Вот результат:
 
Вот теперь видна разница в уровне нелинейных искажений. Простая доработка снизила КНИ в двенадцать раз! Уровень выходного напряжения при этом составил 2,5 В.

Доработка. Шаг 2.

Поскольку в конденсаторы фильтре не имеют маркировки, я выпаял и измерил их номиналы. Затем нарисовал в MicroCap модель этого фильтра с реальными номиналами. Провёл анализ АЧХ. Результаты заставили меня задуматься. Нет, конечно, я не самый крутой спец по хай-энду, но фильтр на выходе ЦАП должен как раз отфильтровывать зеркальный канал (частоты выше полосы пропускания). То есть, как я в данном процессоре однозначно выяснил, частоты выше 22кГц. Даже с учётом восьмикратной передискретизации он должен отфильтровывать частоты выше 164 кГц. Но я получил полосу пропускания 233кГц! С таким подходом можно было вообще фильтр не ставить. Вот результат моделирования:
 

Мне это совсем не понравилось, и я решил изменить номиналы конденсаторов фильтра ЦАП, чтобы он выполнял свою функцию. На рисунке красным цветом выделена АЧХ фильтра, который изготовлен andr_l, а синим – который планируется.
 
По моим соображениям, полоса 33 кГц подойдёт. Теперь я жду заказанные конденсаторы и после переделки буду измерять и слушать доработанный вариант фильтра.

Измерения после доработок.

Итак, я изменил полосу пропускания после ЦАП-ового фильтра на 33 кГц в каналах с 5 по 8. Каналы 1-4 остались без изменений для сравнения.

Процессор уже был на столе, и поэтому вначале я провёл сравнительные измерения АЧХ, ФЧХ, КНИ и уровня шумов переделанного и не переделанного каналов процессора. Напомню, что проблема повышенного уровня сигнала на входе регулятора громкости (а с ним и повышенного уровня искажений) уже была решена во всех каналах. Максимальный уровень сигнала процессора сейчас составляет 2,5 В. Поэтому я исследовал только после ЦАП-овый фильтр.

Измерение АЧХ и ФЧХ каналов. Масштаб по вертикали специально крупный для наглядного наблюдения отличий.

Оригинальный фильтр (канал 3):

Ослабление сигнала 20 кГц -1,5 дБ относительно 1 кГц. Фаза в диапазоне -5 +20 градусов. Задержка прохождения сигнала 5,969 мс.

Переделанный фильтр:

Ослабление сигнала 20 кГц -1,7 дБ относительно 1 кГц. Фаза в диапазоне 0 -20 градусов при задержка прохождения сигнала 5,969 мс. Утилита Delay finder подобрала новое значение задержки прохождения сигнала 5,979мс, но для корректного измерения задержку в программе я не изменял. Для более наглядного сравнения покажу наложенные графики:

Сравнение АЧХ:

Разница в уровне сигналов каналов 3 и 7 +0,1 дБ. На частоте 15 кГц разница уровней -0,1дБ. Общая разница -0,2дБ. Для сравнения: разницу в уровне сигналов 3 дБ слышат все очень явно. Разницу в 2 дБ слышат все как различимую. Разница в уровнях сигналов 1 дБ слышна натренированному слуху. Разница 0,5дБ различима только отдельными слушателями. Разницу уровней 0,2дБ на слух различить невозможно.

Сравнение ФЧХ:

Разница ФЧХ более существенна, 38 градусов на 20 кГц. На частоте 10 кГц +-12 градусов.

Я хочу сделать пару комментариев к графику ФЧХ.

Первое. Зона фазовой чувствительности слуха человека находится в области средних частот примерно от 200 до 4000 Гц. Для частот ниже 200 Гц расстояние между ушами становится гораздо меньше длины волны, и вступают в действие кожные рецепторы на теле. Для частот выше 4 кГц голова является слишком хорошим экраном, а ухо – направленным лабиринтом, и направление человек определяет по уровню и окрасу звука.

Второе. Фазовая задержка слышна, когда она является разностью времени прохождения сигналов в разных каналах. Если во всех каналах одновременно задержать сигналы на одинаковую величину, то ухо не услышит разницы. Например, регулировка тембра (а ещё более – регулировка эквалайзера) не приводит к разрушению стерео панорамы. А в этом случае фаза сигнала изменяется на +-90 градусов и больше. На графике измерений видно изменение фазы в области низких частот до +45 градусов. В нашем случае ФЧХ левого и правого каналов идентична, и на стерео панораму не должна повлиять.

Уровень искажений и уровень шумов. На рисунке наложены сигналы переделанного и оригинального фильтров:

Разница между изменённым и оригинальным фильтрами на уровне погрешности измерений.

Итоги измерений: АЧХ отличаются незначительно, на уровне ниже слухового порога. ФЧХ отличаются и фиксируются методами измерений. Влияние разных ФЧХ будет исследовано на слух. Искажения и шумы не изменились.

Прослушивание.

Измерения это одно, а как отразились изменения фильтра на слух?  Ухо гораздо чувствительнее, чем приборы, поэтому прослушивание перед окончательными выводами обязательно.

Прослушивание производилось на системе, состоящей из:

- Источник Marantz DV 4360 соединён по оптике с процессором, режим RAW 44,1 кГц.

- Процессор Apline PXA-H800.

- Усилитель Филин без общей обратной связи.

- Акустика ЗЯ на динамиках Focal Polyglass.

Слушались тестовые диски Canzoni … and more, АудиоМагазин ТЕСТ- CD-1 от АМЛ, Focal-JM lab #4.

Первые впечатления от прослушивания были противоположны теории и измерениям. Уши говорили мне, что фильтр 230 кГц играет намного лучше, чем фильтр 33 кГц. Причём отличия были не в нюансах, а явно слышимые. Ширина и высота сцены, громкость звука, расположение звуковых образов, были одинаковы  в обоих случаях. Но тембр и передача пространства отличались значительно. С фильтром 230 кГц пространство помещения передавалось с отличным разрешением. Например, Canzoni трек №3 “Fefe” - валторна приобрела особый тембр, металлические щётки перебирали по барабанам очень отчётливо. Трек № 4 "Bega beguine” - тарелки рассыпались послезвучиями по всей сцене, АудиоМагазин трек №1 “Лючия де Ламмермур” - было слышно пространство оперного театра, масштаб сцены. Трек №3 “Рояль Стейнвей” – такого яркого и звонкого рояля я ещё не слышал. Фильтр 33 кГц также прекрасно передавал высокие частоты, но не было той "кристальной чистоты" и воздушности. Валторна становилась более мягкой, тарелки приобретали телесность, чтобы поймать пространство оперного театра, нужно было вслушиваться. Хотя звуковые образы точно также локализовались в пространстве, первые впечатления были, что я ошибся в расчёте и выборе фильтра.

Дальнейшее прослушивание прояснило ситуацию. АудиоМагазин трек № 14 «Лучинушка» - здесь фильтр 230кГц вывел шумы шеллачной пластинки на первый план, сделал их резкими, «колющими». А фильтр 33 кГц сделал шумы не пересекающимися с голосом Шаляпина, не влияющими на прослушивание. Ещё лучше отличия проявились на диске Focal-JM lab #4, трек №5 “The insect”. Здесь женский голос поёт в сопровождении акустической гитары с металлическими струнами. Слышны звуки движения пальцев по струнам. Фильтр 230 кГц передвинул гитару на передний план, и сделал звуки струн громче голоса, а фильтр 33 кГц правильно расставил сцену: девушка поёт соло, а гитара ей подыгрывает. Такой же эффект слышен на остальных записях – фильтр 230 кГц искусственно подчёркивает звуки второго плана, деформируя звуковую сцену.

Выводы.

Итак, какие я могу сделать выводы после прослушивания. Действительно, фильтр 230 кГц играет намного ярче, вытаскивает образы второго плана на фронт сцены, добавляет послезвучий и явно «рисует» пространство записи. Однако, этих звуков в записи изначально не было. Это «отсебятина», вызванная интерференцией высокочастотных составляющих. Как только я начал сравнивать звучание живых инструментов с  их звучанием в записях, я сразу же понял эту разницу. Реальные тарелки не разливаются колокольчиками, гитара не визжит под пальцами, а пространство оперного театра несколько заглушенное - это не вокзал. Отчасти поэтому длительное прослушивание записей с фильтром 230 кГц вызывает усталость и желание сделать музыку тише, а с фильтром 33кГц такого ощущения не возникает. В данном случае теория и практика после некоторых споров сошлись в едином мнении.

Не всегда нужно гнаться за "красивым" звуком. Такой путь может завести не туда. Есть ситуации, как в этом случае, когда более "скромный" звук является более близким к натуральному.