ЦАП или цифро-аналоговый преобразователь от «А» до «Я»

Когда вы слушаете музыку на наушниках или колонках, происходит маленькое чудо. Ваш плеер или телефон хранят музыку в виде цифровых данных в виде сухих нулей и единиц, но ваш мир аналоговый. Звук, который мы слышим, — это волны давления в воздухе. Чтобы цифровая запись ожила и зазвучала, нужен специальный переводчик, известный как ЦАП.

Представьте его как очень точного и быстрого художника. Он получает от устройства цифровые «кирпичики», указывающие на напряжение, которое нужно создать в каждый конкретный момент времени. ЦАП берет эти цифровые «кирпичики» и создает плавную, непрерывную волну, которая представляет собой точную копию исходного звука. Без этого преобразователя звук был бы тихим или невнятным.

Хотя это может показаться сложной концепцией, ЦАПы есть везде. Они встроены в смартфоны, ноутбуки, магнитолы для автомобиля и даже умные колонки. Качество этой маленькой микросхемы во многом зависит от того, насколько чистый, детализированный и естественный будет звук, который вы получите. Давайте разберемся, как это работает.

Что такое ЦАП?

Цифровая музыка может быть записана как поток цифровых данных в файлах или на физических носителях, таких как CD или SACD, в виде двоичного набора данных. Для примера, измерения скорости записи компакт-диска 44 100 раз в секунду (44,1 кГц) сохраняются с точностью 16 бит. Треки с высокой разрядностью 24-32 бит и частотой дискретизации 192-768 кГц уже доступны. Для предварительных, интегральных или усилительных усилителей сигнал должен быть аналоговым, то есть состоять из тока, напряжения и заряда. Цифро-аналоговые преобразователи служат мостиком между непрерывными аналоговыми сигналами и «прерывистым» (дискретным) цифровым потоком данных.

Как работает цифро-аналоговый преобразователь

Большинство ЦАП’ов получают на вход сигнал в импульсно-кодовой модуляции (PCM, что расшифровывается, как pulse-code modulation) или плотностно-импульсной модуляцией (PDM, Pulse Density Modulation), используемой в однобитном потоке данных формата DSD (Direct Stream Digital). Также устройство может принимать сжатые сигналы (скажем, MP3) или пакетные системы данных (например, MQA). Задачей цифро-аналогового преобразователя, все равно, в итоге является перевод «нулей и единиц» в непрерывную аналоговую форму.

Характеристики ЦАП’а

В бытовой технике принято обращать внимание на следующие важные характеристики устройства: Помимо стандартных или профессиональных ТТХ, таких как напряжение питания, статическая характеристика преобразования, статическая нелинейность, смещение нуля и монотонность, в бытовой технике также учитываются следующие характеристики:

— разрядность – то есть, количество уровней аналогового сигнала, которое может воспроизводить ЦАП. Для N разрядного ЦАП число уровней аналогового сигнала равно 2N (включая значение для нулевого кода);

— частота дисктеризации – максимальная частота, с которой можно изменять входной код ЦАП, получая при этом корректный результат на выходе;

— соотношение «сигнал/шум» или SNR — отношение амплитуды восстанавливаемого гармонического сигнала к сумме амплитуд всех остальных гармоник в спектре выходного сигнала, кроме кратных;

— типы поддерживаемых форматов данных.

Форматы цифровых данных

Как уже говорилось, цифровые данные в формате потока трансляции или файла могут иметь множество форматов. Главным в этом случае является тип данных в отношении потенциальных потерь, поэтому можно выделить три основные группы цифровых представлений:

— форматы без сжатия данных или «сырые» — сюда относятся WAV, AIFF, RAW, DSD, DXD;

— форматы со сжатием без потерь (APE, FLAC, MQA, WavPack, Monkey’s Audio и другие);

— форматы со сжатием с потерями (MP3, AAC, Vorbis и прочие).

Наилучшими, конечно, являются «сырые» данные. Сжатие без потерь теоретически приближено к ним, но такой подход забирает часть мощностей системы на декодирования – из-за этого в Ultra High End системах принято оперировать именно форматами без сжатия.

Что мы слышим?

По идее, человек слышит звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц, но этот диапазон достаточно условен, и с возрастом его слух немного снижается. Большинство взрослых людей распознают звуки только в диапазоне от 16 000 Гц до 16 000 Гц. Тем не менее, органы осязания могут чувствовать звуки в диапазонах от 20 000 Гц до 25 000 Гц и даже выше, что объясняет чрезвычайно важное значение точности

Виды цифро-аналоговых преобразователей

По типу преобразования ЦАП разделяются на две большие группы. Первая группа включает последовательные цифро-аналоговые преобразователи, которые преобразуют входящий сигнал в аналоговый сигнал поразрядно, используя одну и ту же схему для каждого разряда. Этот метод обеспечивает компактность, но требует повышения разрядности, поскольку скорость преобразования обратно пропорциональна ей. В сегменте последовательных ЦАП могут использоваться:

— широтно-импульсные модуляторы: источник тока или напряжения включается на время, а полученная импульсная последовательность фильтруется;

— циклические ЦАП’ы;

— конвейерные ЦАП’ы;

— и, наконец, столь хорошо знакомые всем аудиофилам цифро-аналоговые преобразователи передискретизации – например, дельта-сигма ЦАП’ы.

Импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов, формируемый отрицательной обратной связью (который также служит фильтром ВЧ, отсекающим шумы квантования), импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов в дельта-сигма ЦАП обеспечивают исключительную линейность, а сама система обеспечивает необходимую скорость переключения, что делает передискретизацию настоящим спасением для подобных схем.

Паралельные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) являются второй группой преобразователей, в которых используются схемы с весовыми источниками тока, весовыми резисторами и многозвенные цепные схемы. Паралельные ЦАП дороже, потому что основаны на резистивных матрицах, которые сложны в производстве. Вместо этого суммируются только токи разрядов, значения которых равны единице.

Параллельные ЦАП’ы использую следующие архитектуры (способы формирования итогового аналогового сигнала):

— бинарные, в которых соотношение двух соседних взвешивающих элементов равно 2, а веса элементов, формирующих выходной сигнал, в нормированном виде, будут равны 1, 2, 4, 8, 16 и так далее, система управляется бинарным кодом;

— унитарные — соотношение двух соседних взвешивающих элементов равно единице, а управление системой ведется унитарным кодом;

— Фибоначчи – в данном случае сигнал формируется в системе счисления Фибоначчи;

— сегментные – в них цифровой код разделяется на группы, которые обрабатываются независимо.

Параллельными цифро-аналоговыми преобразователями, независимо от их архитектуры, используются элементы, которые взвешивают аналоговый сигнал: конденсаторы, резисторы или источники тока. Как правило, конденсаторы, резисторы и транзисторы используются в роли резисторов, а также транзисторы используются в режиме насыщения (источники тока).

Два класса параллельных цифро-аналоговых преобразователей:

—

взвешивающие (каждому биту цифрового сигнала соответствует резистор или источник тока) – достаточно быстрые, но менее точные, так как для функционирования требуется набор различных прецизионных источников или резисторов; их разрядность ограничена восемью битами;

— лестничные (R2R-схемы) – в них значения создаются в матрице (токов или напряжений) постоянного импеданса, набранной из резисторов с сопротивлениями R и 2R.

Она может достигать 22 бит, что значительно повышает точность и разрядность использования идентичных элементов.

Зачем в аудиосистеме отдельный ЦАП?

Использование отдельного цифро-аналогового преобразователя в стереосистемах Hi-Fi/High End является правильным решением. Действительно, большинство современных интегральных или предварительных усилителей уже имеют модуль ЦАП, или он может быть включен при конфигурировании устройства при покупке. Кроме того, этот ЦАП, скорее всего, будет использовать новейший чип с отличными параметрами. Тем не менее, самое важное в преобразователе — это питание и независимость каждой схемы, а не микросхема, которая используется. Об этом мы поговорим ниже. Таким образом, единственный цифро-аналоговый преобразователь обеспечит оптимальные параметры для вашей системы.

С другой стороны, если рассматривать преобразование сигнала в целом, проблему следует разделить на две части:

— отсутствие поддержки форматов данных – недорогие устройства могут «не уметь» работать с современными сигналами, скажем РСМ 32/768 или DSD256, что доставит неудобства в функционировании;

— набора фирменных «родовых болячек» цифрового звука – прежде всего искажений из-за потери синхронизации (эффекта джиттера, дрожания сигнала) – несоблюдения временных интервалов.

Многие производители используют современные преобразующие чипы для устранения первого момента, а для улучшения второго — улучшения тактования сигнала — вводят прецизионные тактовые генераторы.

DSD или PCM?

Если говорить сигналах с разрешением выше, чем у CD, то однозначного ответа при выборе Hi-Res контента нет. Все зависит от мастеринга записи и от параметров самого преобразователя. Формат DSD (Direct Stream Digital) был разработан компанией Sony в противовес PCM и изначально использовался в студиях и при записи дисков Super Audio CD (SACD). Его файловые возможности сегодня, по мнению ряда аудиофилов, превышают параметры, которые выдает даже высокобитрейтный РМС (24-32/768) — широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с одноразрядным кодированием на сверхвысоких частотах иногда может выглядеть лучше. Ряд производителей использует в своих ЦАП’ах схемы с автоматическим переводом всех входящих потоков в DSD-формат, другие, напротив, предпочитают только РСМ-сигналы, считая их более «правильными».

Как выбрать ЦАП?

Выясните, какие параметры приема сигналов вам нужны. Очевидно, что покупка устройства, которое поддерживает только форматы РСМ 16/44, в настоящее время не имеет смысла, поскольку Hi-Res уже давно стали нормой.

Самый сложный выбор — это тип преобразователя. На рынке бытовало мнение, что только R2R-системы могут обеспечить высокое качество. Однако в последнее время несколько производителей выпустили революционные устройства на базе обычных дельта-сигма микросхем, такие как Lampizator Pacific. Таким образом, конечная схема ЦАП определяет звучание.

Особенно важно учитывать поддержку формата MQA, ориентированного на трансляции, если планируется использовать стриминг с потоковых музыкальных сервисов. Несомненно, цифро-аналоговый преобразователь должен поддерживать формат DSD, если в вашей медиатеке много файлов этого формата.

В целом, нет смысла беспокоиться о характеристиках основной преобразующей микросхемы, поскольку многие производители используют старые классические чипы и добиваются от них превосходного звучания. Основное в ЦАП — это система организации питания, часы и вся прочая «обвязка», которая, по сути, формирует звук.

На какие параметры ЦАП’а еще обратить внимание?

Прежде всего, в области архитектуры балансная архитектура теоретически гарантирует более высокие стандарты. Во-вторых, обратитесь к списку подключаемых разъемов. Сейчас вам обязательно потребуется USB-интерфейс, если вы хотите слушать музыку с компьютера, помимо обычных «оптики» и коаксиала. Будет еще лучше, если ЦАП оснащен стримером с Ethernet-разъемом и модулем для работы в домашней сети UPnP. Не менее важной является сертификация Roon Ready, как показано ниже.

Цифро-аналоговый преобразователь, также известный как ЦАП, — это небольшой, но жизненно важный компонент, который преобразует цифровые данные (например, музыку из файла) в аналоговый сигнал, который можно услышать через наушники или колонки. Качество ЦАП влияет на чистоту, детальность и общее звучание музыки — чем лучше преобразователь, тем ближе звук к тому, что задумал исполнитель.

Подключение ЦАП’а к компьютеру

Как уже упоминалось, для прямого вывода музыки с компьютера на ЦАП можно использовать USB-интерфейс. Однако, такое решение явно не будет лучшим, так как «персоналка», по сути, крайне шумное и некачественное для воспроизведения музыки устройство. Для «развязки» прибегают к разным ухищрениям – от установки специальных модифицированных операционных систем на РС – до введения «развязывающих» сигнал интерфейсов (которыми славится, например, компания Sonore). При работе на Mac OS X драйверы для ЦАП’а уже будут включены в ОС, при использовании Windows, возможно, придется скачать пакет с сайта производителя. Далее просто меняется устройство вывода звука в настройках системы – и, вауля!

Софт-плееры для цифро-аналоговых преобразователей

В настоящее время доступны сотни программных плееров, которые могут воспроизводить музыку. Мы рекомендуем Roon, потому что он не только обеспечивает превосходное звучание, но и может автоматически каталогизировать всю вашу медиатеку с потрясающей точностью распознавания. Управлять собранной коллекцией чрезвычайно просто. Кроме того, функции DSD-плеера позволяют использовать самые передовые алгоритмы апсемплинга, а Roon позволяет подключать ваши аккаунты в Tidal и других потоковых сервисах. Роон повысит качество, если ваш ЦАП получил сертификацию Roon Ready.

Стриминг музыкального сигнала, стримеры и музыкальные серверы

В большинстве случаев поток данных поступает на ЦАП с транспорта или стримера. Стримеры являются устройствами, которые принимают цифровые сигналы по сети, будь то в Интернете или в доме, а затем передают их на преобразователь. Для распространения в домашней сети использовались UPnP-серверы, хранилища музыкальных файлов. Новая операционная система Roon ROCK очень популярна, и она доступна для использования на платформах типа Intel NUC за полную оплату. В этом случае вы получаете идеальный музыкальный сервер, ядро Roon и превосходное звучание в одном флаконе.

Кабели для подключения ЦАП’ов

Если о влиянии оптических и коаксиальных цифровых кабелей никто не спорит, то по вопросу воздействия USB-кабеля на звук сломано много копий. Увы и ах, тут все не так просто, как при копировании файлов на флешку. В USB-интерфейсе используются два протокола: Bulk (или варианты Control, Interrupt) – он гарантирует доставку, но не гарантирует задержку сигнала и его полосу (применяется для передачи файлов на PC. И Isochronous – в данном случае, наоборот, гарантируется задержка сигнала и его полоса – но не гарантируется доставка. В музыкальных приборах обычно применяется последний вариант – а это значит, что влияние USB-кабеля на звук ничуть не будет отличаться от другого кабеля в системе. Но самое большое влияние на ЦАП оказывают не слаботочные, а сильноточные кабели – сетевые. Мы уже писали, что именно организация питания определяет качество цифро-аналогового преобразователя, так вот, электрический кабель, точно так же, определяет звучание ЦАП’а в вашей системе. Не экономьте на нем.

Недостатки современных ЦАП’ов

Несчастно, но цифровой звук становится «прерывистым». Все системы низкой и средней ценовой категории демонстрируют этот признак. Хотя это не совсем так, ультрадорогие цифровые комплексы класса High End «почти» не имеют подобного налета. Таким образом, аналоговая мастер-лента и винил предлагают сегодня самое высокое качество звука. Даже ЦАПы за $100 000 пока не могут конкурировать с этими форматами.

Как купить ЦАП?

Следует изучить рейтинги и отзывы на модели в соответствующей ценовой группе и поговорить с экспертами на форумах после того, как вы определились с бюджетом и параметрами, которые вы хотите. Затем, если модель понравилась вам, просите ее под залог к себе домой на несколько дней. Это будет вашим последним шагом к выводу.

На что обратить внимание при эксплуатации цифро-аналогового преобразователя?

Очень долгое время ЦАП прогреваются, и вы должны быть готовы к этому. Хорошие результаты можно получить через 30–40 часов работы, а идеальные результаты достигаются через 200 часов работы. Чтобы улучшить звучание, на верхнюю панель ЦАП можно положить утяжеляющий груз.

Мы перешли от концепции к звуку. Как вы можете видеть, цифро-аналоговый преобразователь — это больше, чем просто коробка с двумя разъемами. Это последний, критически важный мост между миром цифровых данных и нашим аналоговым восприятием.

Чтобы сделать осознанный выбор, будь то простой внешний ЦАП для компьютера или мощный компонент для стереосистемы, важно понять основные понятия, такие как тактовая частота и разрядность, и понять, какой тип выхода вам подходит.

В конечном счете, лучший ЦАП — это тот, который вам нравится; он должен оставаться незаметным, позволяя вам просто наслаждаться музыкой. Мы надеемся, что теперь, слушая ваш любимый трек, вы станете более осведомленными о том, как нули и единицы создают тот самый волшебный звук.