Полное руководство по выбору и эксплуатации

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

Полное руководство по выбору и эксплуатации

Цифровая стереосистема не может обойтись без цифро-аналогового преобразователя (ЦАП’а, DAC’а) – компонента, преобразующего двоичный код в аналоговый сигнал. На сегодня именно digital-направление в Hi-Fi/High End развивается быстрее всего – надеемся, что данная мини-энциклопедия ЦАП’ов послужит надежным подспорьем при выборе техники себе домой.

Что такое ЦАП?

Цифровая музыка записывается хранится в файлах, существует как поток цифровых данных, либо размещается на физических носителях (CD, SACD) - в виде двоичного набора данных. Скажем, компакт-диск записан с измерениями 44 100 раз в секунду (44,1 кГц), каждое из которых сохраняется с точностью 16 бит. Hi-Res треки щеголяют уже разрядностью 24-32 бит, частотой дискретизации 192-768 кГц. Сигнал же, который поступает на предварительные, интегральные или усилители мощности, должен быть аналоговым – то есть, состоящим из тока, напряжения, заряда. Цифро-аналоговый преобразователь – это мостик между «прерывистым» (дискретным) потоком данных в цифре и непрерывными аналоговыми сигналами.

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

Помимо сугубо профессиональных или нормативных ТТХ, таких, как напряжение питания, статическая характеристика преобразования, статическая нелинейность, смещение нуля и монотонность, в бытовой технике принято обращать внимание на следующие важные характеристики устройства:
- 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 упоминалось, цифровые данные (в виде файла или потока трансляции) могут быть различных форматов. Главным тут является тип этих данных по отношению к возможным потерям – таким образом, можно сформировать три основные группы digital-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?

Человек номинально слышит звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц, но предел в 20 000 Гц достаточно условен, с возрастом слух немного снижается – так, большинство взрослых людей распознают звуки только до 16 000 Гц. Тем не менее, частоты в 20 000 Гц, 25 000 Гц и даже выше могут ощущаться через органы осязания. По сути, прослушивая музыку, мы получаем комплексное воздействие на почти все наши органы чувств – отсюда и критически важная значимость в точности передачи всех параметров исходного материала. И реальная работа по улучшению саунда у супертвитеров колонок, которые расширяют полосу воспроизведения.

Виды цифро-аналоговых преобразователей

ЦАП’ы делятся на две большие группы по типу преобразования. Первая из них – последовательные цифро-аналоговые преобразователи, в них входящий сигнал преобразуется в аналоговый сигнал поразрядно, а для всех разрядов используется одна и та же схема. Такой подход гарантирует компактность, но требует повышения разрядности – так как скорость преобразования обратно пропорциональна ей. В сегменте последовательных ЦАП’ов 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.

Передискретизация оказалась настоящим спасением для подобных схем, так как она позволила использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности (ничего себе парадокс). Импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов, формируемый отрицательной обратной связью (которая также является фильтром ВЧ, отсекающим шумы квантования), в дельта-сигма ЦАП’ах гарантирует исключительную линейность, а сама система обеспечивает необходимую скорость переключения (сотни тысяч раз в секунду). Чем выше частота передискретизации у таких схем, тем ниже требования к фильтрации НЧ и лучше подавление шумов квантования. И, наконец, дельта-сигма ЦАП’ы весьма дешевы – вот и все секреты их массового распространения!

Вторая группа ЦАП’ов – параллельные цифро-аналоговые преобразователи. Их принцип основан на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда (суммируются только токи разрядов, значения которых равны единице).Эти преобразователи дороже, так как основываются на резистивных матрицах – которые сложны в производстве. В параллельных ЦАП’ах применяются схемы с весовыми источниками тока, весовыми резисторами и многозвенные цепные схемы.

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.

Вне зависимости от архитектуры, параллельные цифро-аналоговые преобразователи используют элементы, взвешивающие аналоговый сигнал – конденсаторы, резисторы или источники тока. Как правило, применяются конденсаторы, резисторы и транзисторов в роли резисторов, а также транзисторы в режиме насыщения (источники тока).

Параллельные цифро-аналоговые преобразователи разделяются на два типа:
- 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.
Использование идентичных элементов существенно повышает точность и увеличивает разрядность – она может достигать 22 бит.

Зачем в аудиосистеме отдельный ЦАП?

Принятое и однозначно правильно решение – использовать в стереосистеме Hi-Fi/High End отдельный цифро-аналоговый преобразователь. Действительно, во многих современных интегральных или предварительных усилителях уже есть модуль (или он может быть использован опционально, при конфигурировании устройства при покупке) ЦАП’а. Да еще и, как правило, этот ЦАП будет использовать современный чип с отличными параметрами! Однако, главное в преобразователе – питание и независимость всех схем, а не примененная микросхема (об этом мы расскажем ниже). Поэтому, только отдельный цифро-аналоговый преобразователь обеспечит в вашей системе наилучшие параметры.

Если же рассуждать о преобразовании сигнала в целом, то 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.

Для устранения первого момента многие производители используют современные преобразующие чипы, для нивелирования второго – работают над улучшением тактования сигнала, вводя прецизионные «часы» - задающие 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?

Определитесь с параметрами приема сигналов, которые вам нужны. В принципе, наверное, сейчас нет смысла приобретать устройство с поддержкой только форматов РСМ 16/44 – Hi-Res уже прочно вошел в нашу жизнь.
Тип преобразователя – самый сложный выбор. На рынке бытовало мнение, что только R2R-системы способны обеспечить настоящее High End качество, однако, в последнее время ряд производителей выпустил революционные устройства на базе обычных дельта-сигма микросхем (например, Lampizator Pacific). Так что, тут все зависит от конечной схемы ЦАП’а - именно она определяет звучание.

Далее, если предполагается использовать стриминг с потоковых музыкальных сервисов, следует обратить внимание на поддержку формата MQA, ориентированным как раз на такие трансляции. Если ваша медиатека состоит из большого числа файлов в DSD – конечно же, цифро-аналоговый преобразователь должен поддерживать такой формат.
В целом, нет смысла гнаться далее за параметрами основной преобразующей микросхемы – многие производители используют старые классические чипы и добиваются от них феноменального звучания. Главное в ЦАП’e – система организации питания, часы и вся прочая «обвязка», которая, по сути, и формирует звук.

На какие параметры ЦАП’а еще обратить внимание?

Во-первых, на архитектуру – балансная архитектура теоретически обеспечивает более высокое качество. Во-вторых – на набор разъемов для подключения. Помимо стандартных «оптики» и коаксиала», сейчас вам обязательно потребуется и USB-интерфейс для проигрывания музыки с компьютера. Если же у ЦАП’а есть выстроенный стример с Ethernet-разъемом и модулем для работы в домашней сети UPnP – будет еще лучше. Немаловажным является и сертификация Roon Ready (об это ниже).

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

На современном рынке существуют сотни программных плееров для воспроизведения музыки. Мы рекомендуем использовать Roon – этот плеер не только обеспечивает выдающееся звучания, но и умеет автоматически каталогизировать всю вашу медиатеку – и делает это с потрясающей точностью распознавания. Получившейся коллекцией управлять исключительно удобно. В Roon можно также подключись ваши аккаунты в Tidal и других потоковых сервисах, а возможности DSD плеера позволяют использовать самые продвинутые алгоритмы апсемплинга. Если ваш ЦАП имеет сертификацию Roon Ready, Roon распознает его и активирует работу по фирменному RAAT-протоколу, что повысит качество.

Стриминг музыкального сигнала, стримеры и музыкальные серверы

В большинстве случаев, на ЦАП подается поток данных с транспорта или со стримера – устройства, которое принимает цифровой сигнал по сети (Интернет или домашней) и выводит его на преобразователь. При использовании домашней сети распространение получили UPnP-серверы, хранилища музыкальных файлов. Сейчас большое распространение получила новая операционная система Roon ROCK – будучи совершенно бесплатной она может быть использована на платформах типа Intel NUC: в этом случае вы получаете идеальный музыкальный сервер, ядро Roon и отличное 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

Увы, но цифровой звук остается цифровым – «прерывистым». Этот характер распознается на всех системах низкой и средней ценовых категорий. Ультра-дорогие цифровые комплексы класса High End «почти» лишены подобного налета – но, лишь почти. Именно поэтому наилучшее качество звучания на сегодня обеспечивает аналоговая мастер-лента – и винил, который следует за ней. И пока даже ЦАП’ы за $100 000 не могут потягаться с этими форматами.

Как купить ЦАП?

После того, как вы определились с бюджетом и требуемыми параметрами, изучите отзывы и рейтинги на модели, которые попадают в избранную ценовую группу. Пообщайтесь с экспертами на форумах. А после – ступайте на личное прослушивание и, если модель понравилась, просите ее под залог к себе домой на несколько дней. Только так можно будет сделать выводы.

На что обратить внимание при эксплуатации цифро-аналогового преобразователя?

ЦАП’ы достаточно долго прогреваются – хорошие параметры эта техника начинает обеспечивать не менее, чем через 30-40 часов работы, а оптимальные – через 200 часов работы. Будьте готовы к этому. В процессе эксплуатации не следует допускать перегрева устройства – располагать технику в проблемных для теплоотведения местах. Для улучшения звучания на верхнюю панель ЦАП’а можно положить утяжеляющий груз. Собственно, на этом хитрости заканчиваются.

Примеры цифро-аналоговых преобразователей в различных ценовых категориях

Parasound Z-dac v2 (53 400 руб.) основан на схемах Texas Instruments TAS1020B (USB Streaming Controller), Analog Devices AD1895 (Sample Rate Converter) и Analog Devices AD1853 (D to A Converter).



Chord Electronics Qutest (135 400 руб.) – в устройстве применена схема Xilinx Artix 7 (XC7A15T) FPGA, аппарат поддерживает РСМ 32/768 и DSD512.



Mytek Brooklyn DAC+ (275 000 руб.) использует чип Sabre 9028 Pro 32/384 и поддерживает DSD до DSD256.



MSB Reference (3 199 999 руб.) – пример высокотехнологичного устройства: 4 гибридных мультибитных модуля c эффективyым разрешением 28,5 бит на канал (384 кГц), цифровой фильтр Shark DSP 80 бит, сверхстабильный тактовый генератор Femto 140 Clock.



Audio Note Fifth Element (12 300 300 руб.) – один из самых дорогих ЦАП’ов в мире, построенный на базе классического R2R-чипа Analog Devices AD1865N, ламп 1 x 5814a, 1 x 6463, 1 x EF800, 1 x 6X5 и полностью серебряных трансформаторов.

Денис Репин

24 мая 2020 года

Редакция Hi-Fi.ru