數位信號加持的重要性

別的論壇上看到的,對於解釋數位元的抖動、PLL等名詞解釋算是滿清楚的。
原文: http://www.headphoneclub.com/thread-504598-1-1.html
個人覺得:如果系統本身已建構到一個程度,這時候來求音源的改善比較有用。否則手機直插耳塞的系統,你在那裏搞訊號抖動甚麼的,根本沒意義
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數位信號加持的重要性
一、數字源
廣義上的數位源包含所有DAC前的數位設備,介面、轉盤、數播,還有各種數位處理器等等。這些就好比是水源,在整個系統中占著絕對上游的地位,此處的優劣,很大程度上決定著最終結果的好壞。所以現在越來越多的燒友都意識到要弄一台靠譜的介面、數播、高級轉盤等,甚至還出現了各種五花八門的USB處理器(這玩意兒的作用各位自行評判,小弟不予置評)。

入門級的初燒,更多的是關注數位類比轉換器(DAC)晶片本身。通過查看官方晶片手冊,反復比對各型號晶片的指標、轉換類型(電壓型、電流型)以及轉換模式(多bit,1bit),並對此樂此不疲。誠然,不同的晶片最終出來的聲音風格都有所區別,然而對指標和風格影響更大的數位信號卻沒多少燒友關注。為什麼採用同樣DAC晶片的解碼器有的賣幾百有的賣幾萬,為什麼同樣是AK4395,8XR能那麼強,這裡面數位信號的處理技術占了大頭。

那麼,這就產生了一個新的問題,是不是只要買了高級的解碼器就可以隨便餵什麼信號進去都能出來好聲音了呢?不少朋友在網上討論的時候,每當聊到高檔解碼器、耳放等這些設備時就會有一個錯誤的概念。認為只要買了這些器材,那麼前端就不需要投入什麼了,隨便喂些信號進去也能出好聲。須知信號源是一個系統中最為重要的環節,為什麼有燒友升級了後端器材之後說反倒不如以前好聽了,很多時候並非新器材的錯,而是你的信號源不夠好,被新器材暴露了缺陷而已。

繼續說DAC。DAC晶片解碼需要至少四個信號:主時鐘(MCLK)、幀時鐘(LRCK)、位元時鐘(BCK)以及資料(DATA)。大家平時嘴上談的最多的外接時鐘什麼的,指的是Word Clock,要用Word Clock升頻到MCLK就要鎖相環,而幀時鐘和位元時鐘可以從MCLK裡得到。整個數位音訊系統裡所有的資料轉換都是以MCLK為參考進行的,MCLK的品質直接影響最終轉換結果的表現:解碼器通過SPDIF埠從信號源得到的是調製好的信號,裡面包含了DATA和MCLK,需要DIR晶片裡的PLL去同步然後通過解算電路重新將時鐘和資料信號恢復出來送給後面的環節,市面上的dac,對於前端數位源往往處理方式也有各自的不同,比如:

1、有些DAC的工作模式較為簡單,只需要用這個恢復出來的時鐘為參考直接送去DAC晶片解碼,這種模式就是跟隨前端數位源的時鐘的模式(大多數純硬體解碼器都是用這種模式,帶ASRC的機型除外);

2、而如果將得到的時鐘和資料送到DSP裡面重採樣濾波等整形手段處理過再用本地高精度時鐘重新調整時鐘信號,這種模式依靠這個高精度時鐘能在一定範圍內對恢復出來的數位信號做一些正面的修正,但總體是跟隨著前端的時鐘走,一邊跟隨一邊修正。最終結果由兩者的時鐘(前端數位源的時鐘和DAC的時鐘)共同決定,這種就是所謂的時鐘同步模式(此模式在中高端、高端解碼器裡面經常看得到,比如hilo)。



很明顯,不管是跟隨前端時鐘模式還是時鐘同步模式,前端數位源加入的時鐘都是占著主導因素的(但帶ASRC的解碼除外,它能夠隔離前端帶入的抖動,這個要放到後面說)。無論你DAC的本地時鐘多麼厲害,它依舊是以信號源送來的MCLK為參考進行降抖處理,所以信號源的信號品質始終都會影響DAC的表現,想來得到更好的效果,如何讓進入DAC的數位信號品質更好就成為決勝的關鍵。做不到這一點,你用多高級的解碼器都是浪費錢。
因此,燒友們在選擇一套相對高端的系統的開始,就因該在數位源部分重點投入,而不是把重心先放到後面,這裡引用之前看到的某大佬的一句話:你淨水器再好,也不意味著可以在上面撒尿,出來的水味道像農夫山泉一樣(當然當時這句話比喻的是:你後面的數位處理部分再厲害,也不意味著可以喂它非常垃圾的信號,還指望它出來的信號一樣非常高品質)……
二、抖動
這個指標自從開始玩介面,個人就一直追求這方面的極致,畢竟數位介面等純數位處理設備其最大、最基本的職責就是降低數位信號的抖動,這個做不好的話,其他都是無意義。

1、那抖動究竟指的是什麼
它是指事件(諸如有規律的時鐘信號)在時間上相對於標稱值的變化,即一個事件在時間上的改變。例如,在有規律的時鐘信號上發生的抖動,就是指真實時鐘的實際脈衝瞬態時間與理想時鐘間的差異。

與標稱參考信號不同,抖動資料流程中的許多脈衝的過零瞬態與理想的時鐘時基發生了時間上的變化。

但上面這麼文縐縐地說,一般人肯定不明白,所以上面看不懂的可以從下圖中更直觀地理解:



當存在十分微小的抖動時,脈衝的瞬態會產生時間上的小量前後移動。當抖動增大時,這種時間上的偏移會加大。

2、抖動有哪些種類
根據抖動出現在數位信號系統鏈路中的位置,可主要分為採樣抖動和介面抖動,這兩種抖動類型是影響數位音訊信號的兩個重要抖動。
(1)採樣抖動算是指AD或者DA轉換器在轉換過程中產生的定時錯誤,通常和採樣時鐘有關。採樣抖動可以影響音訊信號的音質,增加雜訊和失真,造成信號品質的逐漸下降,同時也是影響資料傳輸可靠性的一個重要可控因素。
(2)介面抖動是指數字信號系統之間傳輸資料時出現的抖動,發生在數位信號從一個設備傳送到另一個設備。資料傳送和接收中的抖動、電纜上的線路損耗、雜訊及其他干擾信號都可以引起介面信號的抖動和衰變。

數位介面上的抖動源有設備本身產生的固有抖動,也有由於傳輸電路或者傳輸線纜引起的資料傳輸抖動。

傳輸過程和傳輸鏈路中的其他因素同樣可以引發抖動:
因為數碼音訊編碼格式沒有單獨的時鐘信號通道來傳遞時鐘信號,時鐘信號是混在資料信號中傳遞,DAC必須從資料中恢復出時鐘。由於在傳輸過程中,不同資料的延遲有所不同,造成相當大的抖動。解碼器雖然可以直接使用接收晶片從資料中恢復出的時鐘,但是達不到很好的效果。所以必須要進行精確的時鐘恢復。

傳輸電路中的其他因素諸如射頻/電磁干擾,震動,電源干擾等同樣可以引發抖動。所以音訊設備的遮罩、佈線,電源等方面是非常重要的。時鐘電路的電源必須高度穩定,噪音很小,速度快,儘量不與其他器件混用,才能生成抖動盡可能小的時鐘信號。

3、抖動的累積
雖然並不是簡單的加法,但在短數位設備鏈路上,每台設備都會被鎖定於前一個台設備,鏈路最後一級上的抖動有前面幾級的貢獻。每台設備都要把它們本身的固有抖動加上,以及每條連接電纜都會貢獻電纜引入的抖動,在每一級上還會有一些抖動增益和衰減。
這個過程被稱作抖動累積。
所以之前看到有燒友問:
2017-01-15 17:18 發佈


現在這個問題就很明白了吧:對於數位線材來說,最重要、首要需要的還是要求其低抖動的特性,這樣才能盡可能做到抖動累積的數值能最小化。


4、抖動的消除
首先這裡要聲明一下:抖動不可能完全消除,這裡說的消除只能說是儘量降低。

抖動的消除非常複雜。首先設備的固有抖動是無法消除的,傳輸鏈路中的干擾等其他因素導致的抖動可以通過周邊電路設計的改進和遮罩來減小和消除。因此下面僅討論時鐘恢復中抖動的消除。

目前DAC通過AES3信號來實現精確的時鐘恢復比較有代表性的方法有三種:PLL(鎖相環)、ASRC(非同步採樣頻率轉換器)和DDS(直接數位頻率合成)。

注:其中PLL和ASRC的內容放到接下來兩節。
三、非同步取樣速率轉換器(ASRC)
提到減少抖動的方法,就不能不提及ASRC(Asynchronous Sample Rate Converter,非同步取樣速率轉換器)。它對輸入資料進行重採樣,還能夠有效消除輸入時鐘裡的抖動。

ASRC的基本原理就是使用本地時鐘源作為參考時鐘輸入,捨棄前端輸入的時鐘信號,並對輸入信號進行重採樣,由於採樣時鐘是擁有足夠低的抖動的時鐘源,再加上實現了對前端時鐘的隔離,就能避免來自外部的抖動影響輸出時鐘。

過程如下圖所示:



具體來說,ASRC的做法是DIR接收到的信號,BCK 、LRCK、 DATA送入DSP,再將MCLK拋棄,然後在DSP裡對信號進行重採樣,接著用一個本地時鐘作為MCLK重新包裝輸出,從而做到隔離前端數位源帶入的抖動。

至於重採樣部分,那更容易理解,就是無論你原本取樣速率是多少,在這裡全部都按照解碼器提供的一個新的固定取樣速率來採樣,如果你碼率低於新取樣速率那就填空。比如44.1k/16bit變成96k/24bit的話,16bit後面8bit全部填0,但是44.1k變96k是非整數變換,這樣就會產生誤差,這個誤差資料就會引起失真,同時,你將信號從44.1k變成96k的時候雜訊的頻段也被推高了,將雜訊推到人耳能聽到的範圍之外。但是噪音推高之後雖然確實更加弄清晰了所見的信號,但是無法避免地進行處理,整個聲音就不自然,是修飾過的聲音(可以理解成過了一遍美圖秀秀)。
故而ASRC因其獨有的特性,雖然能阻止前端數字源抖動的引入,但卻因此會造成聲音的不夠自然(所以頂級的ASRC機的設計,追求的不是所謂“自然之美”,而是追求“美的自然”),再加上本身的抖動信號倚靠本地時鐘源,而非前端數位源,因此即使前端抖動足夠低,但倘若本地時鐘不佳,就仍會對聲音造成負面影響。所以ASRC的解碼器,對本地時鐘的要求極高。

舉幾個例子:
目前市面上的解碼器中,擁有ASRC的解碼有相當大的數量,最著名的就是近年來很火爆的ESS家的各路晶片,比如近幾年很火的ES9018S,這塊晶片自從出來起就因其逆天的指標參數讓各大音訊設備開發廠家興奮不已,動態範圍、信噪比等各種突破天際,但在設計解碼器的過程中大家卻極少能做出真正具有音樂性的ES9018S晶片的產品,從幾百、千元元的國內作坊產品,一直到weiss的頂級dac,都採用了這塊晶片,但真正意義上做的“好聽”的,可以說是鳳毛麟角。之後國內各路“大神(神棍?)”接連抨擊這是塊垃圾晶片……一時間硝煙四起。


當然,這麼說並不是要把鍋全扔到9018的ASRC上(ES9018S這塊晶片本身還有其它坑,ESS留著),有ASRC晶片的機器多了去了,做的好聽的機子也不少。但是不關閉ES9018S的ASRC確實是極大地限制了優秀設計者們的發揮空間。誠然,9018的解碼老老實實做,也能做出個差不多還可以的聲音,自己自帶的ASRC比不少不入流的設計師自己設計的ASRC解碼要好得多,但要真想做出極品設計,還是得把ASRC給關了才行,不過ES9018S有一個繞過ASRC的屬性在裡面——就是ES9018S用I2S輸入的時候可以跟隨MCLK。


如果沒猜錯的話(錯的話麻煩指正,小弟會及時糾正,謝謝),VEGA的USB口能開啟高精度模式應該就是這個原理(當然,小弟並不知道VEGA為何要熱機那麼久才能開啟高精度模式,按理來說OCXO才需要預熱,但是一般的VCXO不需要預熱,一般晶振五分鐘就能正常工作了…這個問題本人不清楚):通過USB強制進SSRC(同步取樣速率轉換器)(這裡USB過去就是走IIS的了),跟它本身的USB介面共用時鐘,相當於進行一個准時鐘同步,本來用於非同步採樣(ASRC)的時鐘現在給它一個同步的,必須按照其步伐來採樣。然後降低了DPLL的頻寬,對前端數位信號的要求也就大幅提高,如果這模式給它一個抖動大的信號,那就很容易會失鎖……各種斷……這個也是缺陷所在。目前擁有這種繞過9018的ASRC的方式的解碼器也逐漸增多,據說歌詩德X20也有這種模式(但同軸的難做,因為晶片自身恢復出的時鐘信號,會同時加入自身的抖動,就算比較厲害的晶片也是幾十皮秒級的,而且還要引入前端的抖動信號——最後累積起來的抖動就會過大,要達到晶振級就很不容易。而I2S是有單獨時鐘通道的,無需這個過程,不會引入恢復時鐘信號過程中的晶片的抖動,USB也是直接將自身的晶振時鐘引過去的,因此這倆好做,要靠晶片恢復時鐘信號去做的話很難做)。
ASRC並非什麼新技術,只是一種的防止前端抖動引入的技術手段,在不少機子中都有使用。除了使用ESS家晶片的機子【國外的比如Weiss DAC202(ES9018S)、Weiss Medea Plus(ES9018S)、Lavry Quintessence DA-N5(ES9018S)、Apogge Symphony I/O(ES9018S)、LH Labs Vi Tube DAC(ES9018S)、Mytek Manhattan DAC(ES9016S)、Mytek Brooklyn DAC(ES9016S)、Wyred 4 Sound DAC2(ES9018S)、Benchmark DAC2 hcg(ES9018S)等等;國內的比如鈺龍da8系列(ES9018S)、歌詩德x20(ES9018S)、山靈H1.2(ES9016S)、Aune X1S(ES9018K2M)、雙木三林M8(ES9018S)、AURALIC VEGA(ES9018S)、穀津U4(ES9018K2M)等】以外,像近年來比較火的2W級專業解碼器Forssell MDAC-2a(採用PCM1794+CS8421)、甚至是Hi-End級的Jeff Rowland Aeris DAC也採用了ASRC晶片(採用AD1895A),國內的還有前幾年的著名機子KK Master(採用CS8421)等。






另外,因為ASRC的抖動消除特性,因而對前端數位源的抖動性能的好壞並不敏感。用句簡單的話說:就是你在前面加個好的數位介面,或者加一個差一點的數位介面,如果在不帶ASRC的機子上(而且沒有強大的抖動抑制能力的機子)對比,或許會相差很明顯(抖動差的會更加糊、散,薄、質感差),但是如果接在ASRC機的前面,那麼差距就會相對不那麼明顯,主要就是抖動部分的差距就相對難體現的出,只能從其他方面區分出兩者的差距。

那麼既然這麼說,很多人就會問是不是只要是ASRC機子,我用垃圾介面也沒關係呢?答案顯然是否的。因為數位信號並不僅僅是抖動,雖說抖動是衡量數位信號的最重要的指標之一,抖動抑制也是數位介面的最重要職責,但是時鐘是一方面,信號品質又是另一方面,時鐘並不影響信號本身品質對比。因此對於解碼器來說,前端給的數位信號依舊是越優良越好。更何況ASRC機也是有好壞的,最簡單來說,像解碼本地時鐘渣渣的那類ASRC機,自然就是下品。


自ES9018S火爆之後,ESS又相繼推出了ES9028pro和ES9038pro系列。這一次ESS填上了之前留下的諸多坑。至此,這款新片才算是真正開始走向完善的道路。要初步判斷這類能關ASRC的解碼/一體機的好壞,只需要對比關掉ASRC的情況下,聲音是否明顯好於不關就行,這個做到了,機子就算達到及格線了(畢竟這點都達不到的話還不如不關,關掉ASRC後才是能體現各家設計者對數位處理部分的設計水準的時候),剩下的只要同類機子在關掉ASRC +前面接同樣數字源下對比誰更好就行了,簡單易懂。
四、鎖相環(Phase Locked Loop,簡稱PLL)

作為抑制抖動的最常用方法,無論是類比PLL還是數位PLL,基本原理都是利用回饋環和可變頻率的振盪器來跟蹤輸入的時鐘,從而輸出一個更加穩定純淨的時鐘信號。
基本原理如下圖所示:



鎖相環是一種用於生成與參考源相位同步之新信號的電路。其包含三個重要部分,鑒相器[PD]、環路濾波器[LF]和壓控振盪器[VCO]。PLL的VCO一般使用壓控晶振VCXO來實現(這種非常常見,對燒友們來說最耳熟能詳的就是Prism Sound ADA-8XR、Prism Sound Dream DA-2上用的VCXO了,另外Myteck Manhattan用的Crystek CVHD-950也是這種)。PLL的環路,尤其是濾波器設計是關鍵所在,濾波器會濾掉輸入時鐘的高頻抖動,但濾波器輸入的截至頻率太低又不能有效鎖定輸入信號。所以很多高端機器都採用兩個PLL串聯,來獲得更低的抖動。

鎖相環分為傳統鎖相環PLL和數位鎖相環DPLL兩種。傳統鎖相環高成本且高性能,如上圖所示;而數位鎖相環成本較低但性能還可以。根據應用加以區別,事實上DPLL並不合適音訊領域應用,因為DPLL抖動較大,數位音訊領域大多都是抖動敏感設備,但是基於成本和開發難度考量,一些設備還是使用DPLL技術,部分產品做的還算不錯。

一級PLL,對於dac來說都有,這個和相噪無關。鎖相環之所以難做,指的都是二級PLL。這個領域比較知名的就是Prism Sound的兩台旗艦8XR和DA2了,這家的抖動抑制能力之所以如此高超,全賴於此。





這倆機以純硬體設計的二級鎖相環,對抖動的抑制能力遠超同類機體,所以才會有老燒表示:隨便一台垃圾解碼讓8XR、da2接前面,出來的都會變成頂級解碼的聲音。很多燒友說起最厲害的數位介面,都會首先想到8XR的火線介面,然而很多人卻不知道8XR火線介面雖猛,但這機子的真正精髓卻在它的二級鎖相環上面。

同理,順便提一下Prism Sound lyra/lyra2。這機自從被某國內網站用垃圾音效卡和外行測試狂黑了一頓之後,就有不少燒友憑著“聲音確實不怎麼樣”的表面聽感,聞風而起哄。一時間這台曾經被奉為萬元級標杆的設備從神壇跌落到深淵。然而事實究竟如何呢?


一台設備拿到手,我們首先去做的事情並不是立馬插上電源去用耳朵聽,然後聽完立馬下一個結論來定性這機好不好——這是小白們的做法。我們首先要做的,是搞清楚這樣東西的定位,長處是什麼,短處是什麼,用在什麼地方、什麼環節最適合。所以要用,就得用這東西的長處。lyra2是什麼?是台多功能專業一體機,並不是普通的hifi一體機,更不是拿來當純解碼用的。1萬塊錢,買這麼多功能,你要想它某方面單獨拿出來也能值1W?快醒醒,想多了。特別是專業機的價格,不說一分錢一定一分貨,但還是有相當的參考意義的。Lyra2當dac用,和萬元級dac自然存在一定差距,耳放呢?就靠片5532——能推好啥……


說到這裡,有些人肯定會說:lyra2,肯定要當介面,當介面好!——誰說lyra2是介面厲害的?沒搞清楚前,千萬不要人云亦云。Lyra2本身那個USB介面,不說它渣渣,但是確實只是一般貨,但為啥用lyra2的很多人都說這東西當介面不錯呢?那是它自帶的鎖相環的功勞——當你自以為把lyra2當介面用接別的解碼器的時候,實際上真正的功臣是它自身的PLL在幫助抑制抖動。當然這個PLL比起8XR、DA2這兩台機子性能還是有不小差距的,後兩者是2nd PLL,而lyra2作為Prism Sound入門機,用的是一套比較廉價的混和PLL,這套PLL裡連晶振都沒用,用一塊晶片作為代替了。



那這套簡易的PLL到底有多少水準呢?可以說的是:比目前萬元內不少dac的內置的PLL都還是有優勢的。所以你USB接lyra2,再接一台數位部分一般的解碼,會感覺比那台解碼自帶的USB口插著要NB不少,不是因為lyra2的介面有多少厲害,而是它自身的那套混和鎖相環在起作用,幫你抑制了抖動,具體這機這部分量化出來到底有多少水準,有興趣的可以參見http://www.headphoneclub.com/thread-420424-1-1.html這篇對lyra2的評測。


(lyra2外接介面加持外接dac)
所以,lyra2拿來聽音樂的話該怎麼用、用在什麼地方才是比較適合的,想必大家心裡也有個素了。用法:一台相對靠譜點的外接數字源(總得比lyra2自身的介面好的才行,不負責任地說,起碼也得1000、2000以上吧……)——lyra2——dac…當然這種用法還是比較奢侈的,更多人都是PC-lyra2-dac這樣。總之這樣使用的話回報會比講lyra2當純dac要靠譜得多。當然個人並不推薦專門買lyra2作為加持設備,已有lyra2這台機的用戶當然可以這麼玩,但是要新買這機的話,就算了。實在太不划算,性價比太低,還不如弄台weiss int204介面更靠譜。
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sifon

太專業了,好文章[讚],居然沒人回文

2022-04-05 10:31
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