Bruno Putzeys谈DAC（翻译）
本帖最后由 greg1973 于 2016-2-9 12:25 编辑除了这句话其他都不是楼主的话。——楼主
在第一块板子上，输入的所有信号都会被转为经过了噪声整形的pwm信号，剩下的两块是mono dac板，那上面的分立式32阶fir dac跟单级4阶滤波I/V转换器，会将pwm信号转为模拟信号，同时信噪比保持在140db，这已经接近24bit文件的理论极限了（144dB），也已经远超dsd256的表现。独一无二地，在信号达到满量程之际，失真度依然能够保持在噪底之下。匆匆看一眼现在跟过往的high end级芯片，分析一下它们的走向，就可以预料到，在未来，这种表现的dac不会出现在那些依赖于芯片的厂家当中，因为他们要被迫不停地追逐新芯片，而同样的新芯片，也出现在他们对手的产品中。——官方介绍
我们现在看到的这个mola moal是全分立dac，尽管这年头你可以搞到很牛逼的dac芯片，但它们仍然有短板，不解决这些问题我睡不着觉。举个栗子，传统dac芯片的一个主要缺点是它们的噪底noise floor是由信号决定的。而模拟部分产生的噪声analog noise都是很稳定的嘶嘶声，并且总是维持在同一个电平上，不会忽高忽低，而这些dac芯片，如果信号搞不好的话，一不小心，噪底那里就会有尖脉冲产生。
还有，能在高低电平保持线性对我来说也是一个很重要的因素。我发现如果你想搞一个converter可以让输出信号跟输入信号听起来一模一样，难度非常大，我以前做了一个adc来测了一下，你真的要在各个电平都要保持逆天的低失真才行。这就是我为什么要采用PWM，脉冲宽度调制Pulse Width Modulation这个设计，我2004年做过一个类似的玩意，具有非常好的线性。
调制器modulators在dsp上运行，一共有三个dsp，第一个dsp负责将输入的所有信号一股脑升频到32-bits/3.125MHz，后面两个dsp各自负责一个声道，这俩dsp会将这些信号统一转成时钟频率为100MHz，采样率为3.125MHz的pwm信号。还有要提到的是，第一个dsp是一个崭新的异步采样率转换器asrc，内含de-jittering算法差不多可以将这期间产生的任何jitter清除干净。
然后PWM会驱动一连串的分立式1 bit dac投入工作，这些dac由同一个时钟周期来控制时延。dac的时钟频率是100MHz，这里有32个单bit dac排列成一个移位暂存器，所有的这些输出都会以电流的形式叠加在一起，接着转化成电压（I/V转换）。
我们用了不同的输入线来做了测试，无论数字这边用了什么咸菜，后面什么异样都没有发生，听起来都一样，刚刚你自己也听到了，特有模拟感。
（在场人士：我放了一张录音良好的Redbook cd来听，老实说，升频的机子，目前我只听到这个是满意的，其他那些升频机你听到的只是difference，而不是better）
没错，升频dac已经烂大街了，但是你怎么做这个升频，才是重点，你得想清楚要怎样对待。。。要怎样精确地弄好采样率转换这个过程，有一些设计师比较懒，想走捷径，就千方百计想出来一些偷懒的招数，我告诉你，谁用了这些花招声音马上死翘翘。通常你会发现某台dac的曲线是完美的平坦，但是如果你把曲线放大，例如以1/100分贝的尺度来看，就会找到许多细小的坑洼ripples，这些坑洼在整个音频段audio band（即20-20kHz）上面重复出现，这就相当于一股小的pre-echo前回波和一股小的后回波post-echo了，正所谓祸不单行，除了回波，还会产生铃振ringing，一旦出现这些玩意，声音中的形体感body就会被完全抹杀。
他们之所以这样做是为了减少计算量，而另一类比较经典的捷径就是做一个稀疏平常的sharp filter例如传统的brick wall filter，这种滤波器刚好会处理一半的采样率，不多不少，这就意味着你仍然会得到一些混叠aliasing，虽然混叠的危害并没有你想象中的那么严重，但这里确实是耍了一个数学上的花招，来减少周期cycle的数量以及运算量。不过这样做就未必能被称作是心理声学上的最佳了，心理声学上的最佳实际上，要提前那么一点开始rolling off，所以在刚刚我们播放Redbook的时候，我把本来完美的参数弄歪了一点，在20kHz的地方并不是0dB，而是0.1dB，尽管这个改变比较微小，但是已经可以让你减少一些在impulse response冲击响应上面的铃振。（fir=finite impulse response，有限冲击响应）
而且正如我说过的，一点点的混叠完全问题不大，混叠不会让声音产生戏剧性的劣化，大胆去把过渡带transition band弄宽一点吧，使得它缩短一点。
刚才听的时候，我发现传统的过渡带，刚好只有奈奎斯特带宽的10%，这真是太太太窄了，能响而已，把过渡带拉宽一点点，那种brick wall味就会马上消失。
在场人士：牛人啊，对了，你刚刚说啥来着，薄，没错，我听起来也感觉很薄。
bruno：我说的是缺少形体感。
在场人士：我是不吐不快的，我平常听太多数码声了，有些数码声勉强ok，有些比ok还要ok一点，但是我至今还没听到过非常棒的数码声。
bruno：这不怪你，真的，制作录音的时候要用到类似上面的工序才能得到非常理想的效果，但是我们没有能力去改变他们，你仅仅做好重放这步，就已经将这个问题解决一半了。就这样在这些Redbook的cd唱片上也能听到非常大的改观。
在场人士：俺以后都要带上俺的数码录音笔去hifi展录些数码声回来。
大家好，补充一下，pwm不是什么硬件，它只是一种波形，它是频率固定，占空比可变的一种方波，说白了，你能将信息编码在它上面，方法是让它在高电平跟低电平上面花费不同的时间，你可以把波形平均一下average out the waveform，从而将这段信息还原出来，例如让它通过一个low-pass filter低通滤波器（lpf），mola mola里面的pwm信号脉冲频率为3.125MHz，且具有32种不同的脉冲宽度。通过正确的噪声整形noise shaping，你就能得到相当于dsd384-512的信息量，而且在周围产生的宽频带噪声wideband noise会比平常少得多。
说实话，这股100 MHz/1-bit信号其实就是一大串0和1，你可以很轻易地将它放进一个1bit dac然后lpf就能出声了，但是我选择用32个1 bit dac，并联地，第一个dac收到信号之后，再过10纳秒，第二个dac就会接收信号，再过10纳秒，就会轮到第三个dac，如此类推，平心而论，32次输出的结果是，你可以利用移动平均法running average来抚平pwm信号中方波部分的毛躁，这时候再让lpf来处理就容易多了。
其实dsd可以说是pwm的亲戚，dsd的脉冲宽度不变，在一定时间内，调节脉冲的数量（也就是密度，0或者1的密集程度），因此，从专业角度来说dsd应该叫做PDM，脉冲密度调制Pulse Density Modulation（dsd只是一个通用商标罢了）。
pdm跟pwm的共同目标是创造一个1 bit的信号，让频谱的低频部分变成编码信号encoded signal，高频部分变成噪声，你唯一要做的就是用lpf来把两者分开。你可以说音乐是有效负载（红花），而超声波噪声是废料（绿叶），这一切都经过精密计算，两者相辅相成。
pdm跟pcm都是正式进行da（或者ad）转换之前的前菜，它俩被转成模拟信号的时候，唯一的优点就是没有那么蛋疼（起码比配对一个精度为0.00001%的电阻网络要简单，也比把开关时间switching times弄到少于1fs要简单），总的来说不是超级简单但是十分可行，大体上你搞好时钟跟基准电压就行了。
有一个公认的却又很难解释，但又确有其事的原因，pdw有一个先天缺陷，使得它跟pwm比较的时候，处于下风，那就是pdm在进行da转换的时候，转换效果跟开关on/off这个过程直接挂钩，因为它on跟off的速度一样快，用一般的解决方法（把脉冲缩短shortening the pulses）会增加jitter的敏感性，这就是为什么其实pdm转换器早在2000年就已经式微了，在ic世界里，这是真事，这之后只有一到两个真正好的分立式pdm转换器被制造出来，其余大部分都受到同一个问题的困扰，而这个问题芯片制造商一直都在回避。
这就是我为什么乐意脱下夸夸其谈的帽子hat，然后戴上设计师的帽子cap，从这几个格式里边，挑了一个我觉得最舒服的格式（pwm），然后将所有灌进来的数据都以数码形式转成这个格式。
来源
http://www.audiostream.com/content/bruno-putzeys-talks-dacs
https://www.youtube.com/watch?v=LNvVXCqEtEU
本帖最后由 greg1973 于 2016-2-8 22:33 编辑
注：上面的输入线是指spidf跟aes，这玩意的usb界面一直难产
注2：Redbook红皮书，是一种cd规范
本帖最后由 greg1973 于 2016-2-25 15:41 编辑
bruno的邮件
gregb：你这玩意好像没用第三方dac芯片，是用了fpga吗？
Bruno：从发烧友本体论的角度来说：是的。
从追求准确的角度来说，我恐怕有一点点不同意。去年我被问了这个问题一遍又一遍，但是前年大前年还有那之前都没人拿这个问题来找我。
这是因为最近有一间公司想出了一个营销手段，说他们的dac是“基于fpga的”，很明显地，他们觉得这样听起来会让人更加印象深刻，会比你说，这是一个分立设计听起来更酷，分立是指从零开始设计跟制造，使用的都是基本的通用部件。
我发现这蛮有趣的，如果有人告诉我，他们从零开始造了一辆汽车，这样听起来会比他们告诉我他们放了些齿轮进去更有震撼力。
我再举一个汽车行业的例子，当一个公司试图吹捧他们的dac是基于fpga的时候，那就有一点像特斯拉公司决定说他们的车的主要特点是基于铝而不是铁。这种宣传手法带来的结果是让fpga进入到了公众的潜意识里面，只要你的dac不用dac芯片，你都可以拿fpga来作为卖点，这就是本体论的诡秘之处。mola mola dac确确实实是这些全分立dac大军中的一员，用的是自家编写的程序，电路也一样，100%自主设计。
每个dac，无一例外，都包含两个部分。一个是数码程序，另一个是模拟电路，就是进行数模转换的地方。
这个数码程序是一系列数学公式的合集，里面充满了林林总总的细节，例如如何将输进来的音乐转成另一个格式，还要控制好采样率好让后面的模拟电路可以应付。
我说“一个程序”意味着这个程序可以由fpga，dsp或者硬布线逻辑来执行，没有关系的。
fpga是一种通用的数码运算工具，就像微处理器或dsp芯片，这些东西都可以被用来执行任何种类的计算任务。
fpga可以是satnav卫星定位仪，ct扫描仪，分析股市的机器中的一部分，anything，fpga能做到的，dsp或微处理器也都能做到。问题是要看你叫它们去做什么（你放什么了程序进去）。
fpga跟dsp（或者其它微处理器）的差异只在于在编程的方式上略有不同，还有就是让它们去执行某项特定任务的时候，运行速度会有快慢。
除去这些它们就是一样的，你拿1+1来问任何这些芯片它们都会说是2。
当你买了一个dac芯片例如ess或akm，这种芯片里面包含了硬布线逻辑（有一个程序在那上面运行），还有一个模拟电路来做da转换。
当你做了一个分立式dac像mola mola，你要自己用通用部件来把这两样东西做出来。
其实数字部分我一开始是用fpga写的，但是我有个同事他dsp技术高超，所以我就把算法改了，以便可以让他把它烧进dsp。
出来的效果是不会有任何差别的，至于选哪个你唯一要考虑的就是人力物力，做一个要多少时间啦，再做一个要多少时间啦....
人们之所以要做分立dac当然是为了得到比竞争者更好的声音，所以你可以想象到这里边会涉及到n种不同方面的技术问题，我就不在这里展开讲了，因为那会填满一本书（我正在写，2017年夏天应该会出来）。
话说回来，对mola mola最贴切的形容就是“一个基于pwm的分立式fir dac”
gregc：能不能谈谈usb界面，比较好奇，ps，关于电源部分，挑一个好的牛是不是很难？
Bruno：就是公版xmos，原封不动，没有理由去改动界面因为这已经是行业中的标准解决方案，界面的唯一作用就是接收数据。
usb线影响声音，是因为dac时钟跟电脑之间有回路，mola mola dac的时钟是跟usb输入隔离开的，所以你不要期待换usb线听起来会有太大变化。
这dac是前级的一部分，这前级用的是开关电源，这电源的表现比平常那些变压器好很多很多，还可以加一个唱放到前级里面，事实上这个唱放是最开心的，因为这电源没有60hz的stray field漏磁场。
gregd：你怕山寨吗？万一有人把你的dsp跟hypex给逆向破解了（当然他们得先把你的东西买回来才能破解），你怎么办？
Bruno：我的东西很复杂，如果有人想山寨我，他自身也要有大量的知识储备才行，会出现两种情况
1，想做得跟我一模一样
2，或者他们早已对各种电路理解得非常透彻，一般有这个能力的人，都自己跑去开发了，用不着来抄袭我
针对第二种情况，有我这个水平的人，反正他们的自尊心早晚都会驱使他们去做自己的东西，我也不反对大家互相学习。
针对前一种情况，被人剽窃这种事情很少发生在我身上，我被山寨的次数甚至比其他设计师都要少，因为我非常依赖分立元件（=非常长的BOM，电路板也狠复杂），所以很少有抄袭狗来搞我。
到目前为止，只被盗版过一次，有人从转包商那里偷走了hypex功放的cad数据。
grege：对于音频产品，4层6层pcb有必要吗？ocxo是否最好的dac时钟？
Bruno：这完全取决于你要用什么电路，4层pcb有助于减少噪声的敏感度，不过实际上，用4层或者更多层的板子并不会得到更好的结果。
如果某间公司用“x层pcb”来作为一个卖点，那就意味着他们对心理学一无所知。当你揣着几个卖点的时候，你在里面挑一个最有说服力的跟对方说就够了，如果你把这些卖点通通摊出来，人们反而对你信心不大。
当面对一连串卖点的时候，我们倾向于少而不是多。
O的意思是oven（炉子，引申为恒温），它的唯一作用是让晶体保持在一个特定温度让你可以校正频率，这当然是在扯淡，一点ppm的静态偏差你压根听不出来，你能听到的东西只有variations（jitter），那是由振荡器电路来决定的，跟oven没有关系。
当然，生产时钟模块的厂家通常会在他们的ocxo里面用上最好的振荡器电路，这就造成了一个错觉，好像oven跟low jitter直接挂钩似的，但是事实上它们没有关联。如果你懂门路的话，就知道在哪里可以买到一样好的振荡器但是没有这个oven在前面。省钱又省电。
半年前
grega：xxxxx没法工作？
bruno：usb线的5v被用作启动界面的初始协议。在usb标准里面，这个5v还间接地让中间这对双绞线的共模阻抗维持在标准水平（当然地线也有功劳），usb要用到一些共模信号，我感觉这比较sb但它就是这样工作的：(
注：如果想切断usb2的5v又想保留4根线（拿东西把5v那个触点盖着不让它导电还是相当于切断了5v，也就是只有3根线，只用3根线的话，共模抗阻，差分抗阻balabala可能就不一定能做到标准了），可以把5v线做成地线，也就是4根线里面有两根是地线，可算作是一个折衷的做法，但是这样搞就要diy了，diy的usb线参数就不一定能达到硬性标准了，做完之后还要用机器实测
彩蛋
Grimm箱子里面的adda是用akm，ti等芯片做成，PCM4201+AK4396
Kii three箱子里的adda也是芯片，它四个低音单元是封在一起的，barefoot是两个（准确来说是大部分的barefoot）PS: KEF Blade的四个低音也是锁在一起的
barefoot当然还是用芯片，barefoot很爽快地说，ad=AK5394，da=WM8742（8741的SNR比42稍好，其余差不多）
kii这种思路的箱子其实飞利浦在70年代就玩过了，当时不叫低音指向性，motional feekback ，爱玩这种飞利浦老箱子的人还专门建了几个论坛来交流
kii的机内adda芯片死活不肯说，只说da部分是burr brown最棒的型号，每只箱子用了六片（“咱的dsp算法能让芯片上天入地，而且kii的芯片比Grimm的芯片牛逼”）
ps，经常吹嘘r2r dac的屎牌mike也不得不承认要做adc的话，还是sigma delta比较好
关于dac，可以跟穷总这篇文章对照着来看：http://www.headphoneclub.com/thread-375851-1-1.html
索尼装在z1es上神秘的移动平均fir看来也就是这个家伙在mola上的黑科技，殊途同归啊 4realms 发表于 2016-2-8 22:38
索尼装在z1es上神秘的移动平均fir看来也就是这个家伙在mola上的黑科技，殊途同归啊
来解释解释呗。是意思是原理相同么 32阶的模拟fir
大家都玩这个了么。。。。 喷了，逛head fi也是lz在刷屏:lol errol 发表于 2016-2-9 01:20
来解释解释呗。是意思是原理相同么
大法只有那张图, 看起来过程是一致的. 按这货的说法等于大法也暗暗放弃纯pdm了 竟然是asrc，有点蛋疼。。。。 这玩意技术本质上就是分立版ES9018S，不过做成分立看起来B格会高很多:lol
虽然ES9018S原型也是用超高密度FPGA + 分立逻辑实现的，只不过最后流片了，而不是卖分立模块:loveliness:
Mola Mola DAC ---1，输出级时钟固定100MHz
2，每个声道32级流水线输出
3，不计成本的使用DSP可以实现更高阶数而且更高精度滤波器算法(比如前文说的FIR，SHARC可以最高实现双精度80Bit浮点运算)
4，ASRC消除抖动(无法越过)*
5，7th Order的噪声整形(得益于不计成本和功耗的 SHARC DSP)
[*实际上理论上只要DSP足够强，允许群延迟足够大，ASRC对听感的影响可以逐渐减小，但是到底什么级别才可以在任何音乐下蒙蔽挑剔发烧友的耳朵 - 还不知道]
ES9018S --- 1，输出最大可支持时钟100MHz
2，每个声道64级流水线输出 <ES9038 Pro改进，高达256级流水线>
3，ASRC消除抖动(可以一定程度越过) <ES9038 Pro改进，可以完全越过>
4，综合芯片最终成本有一定妥协的适当阶数和普通精度滤波器算法(可以做IIR也可以做FIR，ES9018S内置是32Bit定点运算**)。
5，4th Order的噪声整形(高性能且低功耗) <ES9038 Pro改进，更先进的算法，消除过去ES9018S的不足且优化音质>
[**其实绝大部分集成电路都是24Bit或者32Bit定点，ESS或AKM或Cirrus大都是如此，主要是为了考虑功耗，也可以做成什么双精度浮点64Bit计算，
但是计算量太大，而且Die面积会很大，芯片设计师们觉得性价比不好，而不是认为性能足够了。]
HerculesVR 发表于 2016-2-9 14:49
这玩意技术本质上就是分立版ES9018S，不过做成分立看起来B格会高很多
虽然ES9018S原型也是用超高密度 ...
看起来9038更加先进啊，不知道4497能否跟9038同台对比，但是ESS公司习惯在datasheet删掉一些信息啊
例如这帖子就投诉了9018的datasheet坑爹 https://hifiduino.wordpress.com/sabre32/ diyaudio论坛里有些人貌似都气炸了 本帖最后由 errol 于 2016-2-9 19:29 编辑
4realms 发表于 2016-2-9 11:33
大法只有那张图, 看起来过程是一致的. 按这货的说法等于大法也暗暗放弃纯pdm了
大法那个不是只有一种模式（而且是超采样到DSD，并非DXD）。。。而是可以选择1975芯片作为PCM解码。。虽然没几个人会开，像鸡肋一样~~ 谢谢彩蛋，学习了 好像很厉害的样子 看看 还真是卖什么吹什么的节奏，PDM的优点怎么着也更实在些，况且针对那个缺陷，在BB的某芯片上也能见到不怎么复杂的应对…… 倒是想看看拿掉滤波器裸测的莫拉莫拉是啥样子
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