Введение в ЦАП: Руководство для любителей наушников | Часть 1

В части 1 этого руководства по ЦАП мы узнаем, как цифровые файлы преобразуются в аналоговое аудио, включая форматы файлов, высокое разрешение, входы и выходы.

Заглавное изображение. ЦАП Bryston BDA-3. (От: bryson.com)

Я слушаю музыку, так нужен ли мне ЦАП?

Короче говоря, да, и если у вас есть телефон, ноутбук или компьютер, он у вас уже есть.

Ждать. Ждать! Не прекращайте читать сейчас.

Реальный вопрос: нужно ли мне покупать внешний ЦАП?

И этот вопрос немного сложнее. Продолжайте читать…

ЦАП или цифро-аналоговый преобразователь — это (как говорится) устройство, которое преобразует цифровые сигналы в аналоговые. Звук, который начинается как последовательность 1 и 0, в конечном итоге заканчивается музыкой, исходящей из наушников. Это ЦАП (и несколько других небольших компонентов по пути), который делает волшебство возможным.

Хотя популярной номенклатурой является «ЦАП», цифро-аналоговый преобразователь может быть сокращен как «D/A», «D2A» или «D-to-A».)

Аналоговые источники, такие как магнитофоны, катушка к катушке, вертушки или AM/FM-радио не требуют цифро-аналогового преобразования, просто потому, что они не цифровые. ЦАП используются для преобразования цифровых аудиоисточников и файлов (таких как потоковое воспроизведение, mp3, FLAC, ALAC, CD, SACD, DVD-Audio и т. д.) в аналоговый сигнал, который подается на усилитель для воспроизведения.

У меня уже есть ЦАП?

Вы слушаете музыку с телефона или CD-плеера? Тогда да, у вас уже есть ЦАП.

Недорогие микросхемы ЦАП (стоимостью от нескольких долларов до десятков долларов) есть почти в каждом цифровом источнике или, по крайней мере, в тех, у которых есть разъем для наушников. Как и большинство вещей в этом личном аудио-хобби, проблема заключается в качестве этих компонентов и их способности воспроизводить звук высокой точности.

Гордон Мур, создатель закона Мура. (От: betanews.com)

ЦАП обычно основан на электронном вычислительном чипе, и, как и все компьютерное, Закон Мура подразумевает, что со временем вычислительная мощность постоянно улучшается (становится меньше, быстрее и дешевле).

Мы собираемся сосредоточиться на добавлении внешнего ЦАП к вашему цифровому устройству воспроизведения звука и, если вам нужно, купить его. Этот внешний ЦАП обходит недорогой внутренний внутри вашего цифрового источника.

Эта статья разбита на две части:

1. Часть 1 рассмотрим, как создаются цифровые аудиофайлы и как подключить внешний ЦАП. Это включает в себя обсуждение цифровых входных соединений (от источника) и аналоговых аудиовыходов.
2. Часть 2 в этой статье будет рассмотрено, как работают ЦАП, включая проблемы, функции, наборы микросхем, образцы и фильтры.

Базовое понимание того, как создается цифровой звук, необходимо для понимания различий между цифровыми входами, такими как USB, оптическим и коаксиальным. Итак, без лишних слов, давайте обсудим преобразование аналогового звука в цифровой файл.

Быстрые ссылки

Используйте эти быстрые ссылки для быстрой навигации по статье.

Основы цифрового звука

Преобразование музыки в биты: аналого-цифровое преобразование (АЦП)

Типичная цепочка от музыканта к вам выглядит так (от AudioAdvice.com):

• В процессе записи артист накладывает трек. Микрофоны улавливают звуки голосов и инструментов как аналоговые аудиосигналы.

• Инженеры звукозаписи сохраняют аналоговые сигналы как цифровые. Записывающее оборудование использует аналого-цифровые преобразователи для преобразования аналоговых сигналов в цифровые сигналы для хранения. В настоящее время это обычно означает сохранение их в виде цифровых сигналов в виде цифрового аудиофайла.

• Во время воспроизведения ЦАП декодирует сохраненные цифровые сигналы. При этом ЦАП преобразует эти сигналы обратно в аналоговый звук.

• ЦАП отправляет преобразованные аналоговые сигналы на усилитель. Усилитель, в свою очередь, посылает музыку через ваши наушники или стереодинамики.

Процесс аналого-цифрового преобразования. (От: MusicRepo.com)

Давайте теперь сосредоточимся на части, которая позволяет вам слушать аудиозапись в наушниках. Процесс преобразования, который берет музыку и позволяет вам ее слушать, не так уж и сложен. Воспроизведение начинается либо в аналоговом мире, либо в цифровом.

• Цифровой аудиофайл → ЦАП → Аналоговый выход
• Аналоговая запись → АЦП → Цифровой аудиофайл → ЦАП → Аналоговый выход

Как видите, единственное отличие состоит в том, что аналоговая запись должна быть преобразована в цифровой файл перед сохранением и отправкой на ЦАП.

Процесс цифро-аналогового преобразования. (От: MusicRepo.com)

Аналоговые сигналы

Не так давно в цепочке не было диджитала. Микрофоны улавливали аналоговый сигнал и сохраняли его в аналоговом формате на катушка к катушке лента. Оттуда была создана пластинка, и игла проигрывателя физически перемещалась для создания звука, когда она проходила через канавки на пластинке. (Может ли быть что-то более аналоговое?!?)

Итак, вопрос в том, как аналоговый сигнал преобразуется в цифровой файл?

Частота дискретизации, битовая глубина и битрейт

Аналоговый сигнал непрерывно представляет звук через волну непрерывно изменяющегося напряжения. Каждая волна будет иметь гребень и впадину (период), а количество периодов в секунду – это частота (измеряется в Гц).

Для преобразования этого сигнала в битовый поток 1 с и 0 с, аналоговая волна дискретизируется (высота измеряется) через определенные интервалы времени (частота дискретизации).

Сравнение частоты дискретизации и разрядности. (От: izotope.com)

Для аудио компакт-дисков стандартная частота дискретизации составляет 44 100 выборок в секунду, и она хранится в виде 16-битного двоичного кода («слова»), известного как битовая глубина. Битовая глубина указывает, сколько данных записывается на семпл, и является мерой того, насколько точно звук представлен в цифровом аудио.

Возможно, вы видели эти числа раньше: 16 бит/44,1 кГц, а иногда и просто 16/44 — это обычное сокращение для аудио компакт-дисков.

«Более высокая битовая глубина дает более детальную запись звука. Низкая разрядность приводит к потере тихих звуков… При увеличении на каждый 1 бит точность записи удваивается. Чем выше битовая глубина, тем лучше звучит запись». – Спасательный круг

Битрейт, однако, представляет собой измерение пропускной способности (данные во времени), выраженное в тысячах бит в секунду (Кбит/с). Битрейт напрямую влияет на размер цифрового файла. В отличие от битовой глубины, которая определяет уровень детализации записи и является мерой точности, битрейт определяет общее качество аудиофайла.

Знакомство с числами НазваниеБитовая глубина/Частота выборки Единицы скорости передачи бит/кГц/кбит/с Измерение количества/частоты Ответственность за полосу пропусканияДинамика и детализация/точностьОбщее качество и размер файла

Очевидно, что во всех этих случаях предпочтительны более высокие числа. Повышенное качество, точность, детализация и расширенный динамический диапазон являются четкими целями для высококачественного воспроизведения музыки. Но насколько хватит?

Вам может быть интересно: Понимание частоты дискретизации, битовой глубины и битрейта

Пределы слышимости и стандарт Красной книги

Здесь мы упираемся в ограничения человеческого слуха. У людей ограниченный диапазон слуха по сравнению с другими животными (такими как собаки и летучие мыши) и (к сожалению для нас, уже не молодых людей) со временем становится только хуже.

«Нормальный» диапазон частот слуха здорового молодого человека составляет от 20 до 20 000 Гц. И хотя «нормальный» слышимый диапазон громкости составляет от 0 до 180 дБ, все, что выше 85 дБ, считается разрушительным, поэтому мы должны стараться не заходить туда.

С возрастом мы в первую очередь теряем верхние частоты. Так что к тому времени, когда мы достигнем среднего возраста, мы можем ожидать около 14 000 Гц». – Национальная служба слухопротезирования

В основе цифрового преобразования лежит Теорема Найквиста (имя инженера-электронщика Гарри Найквист). Не слишком останавливаясь на этом, теорема Найквиста утверждает, что максимальная звуковая частота, которая может быть представлена ​​при любой заданной частоте дискретизации, равна половине частоты дискретизации.

Чтобы захватить все слышимые частоты, необходимо (как минимум) производить выборку со скоростью, в два раза превышающей человеческое восприятие. Если мы выберем верхний диапазон (22 кГц), который немного выше среднего (20 кГц), это будет выглядеть так:

2 x 22 кГц = частота дискретизации 44 кГц

«Подождите, — говорите вы, — я видел этот номер совсем недавно!»

Старый добрый CD-цифровой звук 16 бит/44,1 кГц. (Так вот как они придумали частоту дискретизации!)Красная книга стандартный», который определяет все параметры и свойства формата CD.

Компакт-диск. (От: Britannica.com)

Битовая глубина 16 была выбрана для захвата динамический диапазон 96 дБ.

Имейте в виду, что громкий разговор в метро или звук квадроцикл составляет около 95 децибел, а все, что превышает 85 дБ, считается потенциально опасным для вашего слуха.

Хотя в подавляющем большинстве случаев динамический диапазон 96 дБ должен обеспечивать правильную запись звука, различия более требовательной музыки (например, классической музыки) требуют более широкого динамического диапазона, чем поп-песня.

Различия между самыми тихими пассажами и самыми громкими больше, поэтому для лучшей инкапсуляции этих нюансов популярность приобрели более высокие разрешения (24-битная и 32-битная глубина).

16-битный цифровой звук имеет максимальную разрядность 96 дБ, 24-битный — 144 дБ, 32-битный — 192 дБ.

Сжатие без потерь и с потерями

Выше мы коснулись размера файла и его связи с битрейтом. Если вы когда-либо копировали компакт-диск в mp3, вы знаете, что более высокая скорость передачи данных приведет к увеличению размера файла. На заре цифрового аудио, чтобы бороться с постоянно растущими размерами файлов и стоимостью хранения, люди придумали умные способы хранения цифрового аудио в уменьшенном размере.

Идеальный формат сжатия, в котором хранятся все аудиоданные — каждый бит каждого сэмпла — считается «без потерь». Аудиофайлы без потерь могут быть преобразованы в файлы любого другого типа без потери качества, поскольку все исходные данные сохраняются.

Самый очевидный способ сэкономить место — это сжать аудио для хранения, а затем распаковать для воспроизведения. Для этого требуется специальный тип компьютерной программы, называемый кодеком (кодер-декодер).

Еще один способ сэкономить место — проанализировать звук и удалить все неслышимые биты. Так родился формат сжатия аудио с потерями. Копия с потерями не идеальна; это компромисс качества и размера. Вот почему выбор битрейта имеет значение при создании файла с потерями.

Единственная причина использовать формат с потерями с более низким битрейтом — это экономия места на диске, если вы готовы пожертвовать качеством звука.

Визуальное представление сжатия с потерями. (От: cdn.geckoandfly.com)

Цифровые аудиофайлы, созданные с более низким битрейтом, будут меньше, но звучат хуже (и наоборот). Общее мнение состоит в том, что если вы должны выбрать тип файла с потерями, а не без потерь, выбор скорости передачи данных 320 Кбит/с приведет к получению цифрового аудиофайла, который обычно неотличим от исходного источника без потерь (например, компакт-диска).

В эксперименте по прослушиванию Lifehacker они заключил:

«…никто не может услышать разницу между аудиофайлом CBR 320 кбит/с и компакт-диском. И результаты VBR 192 кбит/с имеют едва ли статистически значимую разницу по сравнению с необработанным звуком компакт-диска при уровне достоверности 95%. Я говорю здесь об абсолютно тонкой пластине».

Цифровой звук на компакт-диске несжатый и без потерь. Он может быть сжат в цифровой файл без потерь или с потерями. Сжатый без потерь файл может составлять 1/2 размера исходного цифрового аудиофайла, в то время как сжатый сжатый файл с потерями может составлять 1/10 размера оригинала. (Это грубые обобщения для примера).

CBR с постоянной скоростью передачи данных и VBR с переменной скоростью передачи данных. (От: cdn.shopify.com)

Сжатие аудиофайлов не должно быть фиксированным с «постоянной скоростью передачи данных» (CBR), но может быть изменяющейся или «переменной скоростью передачи данных» (VBR). Преимущество VBR заключается в дальнейшем уменьшении размера файла (разумеется, с небольшой потерей качества), так как кодек автоматически уменьшает битрейт для тихих пассажей и увеличивает его для сложных пассажей.

В современном мире хранение дешевое, а музыкальные файлы относительно небольшие. Зачем идти на компромисс с качеством и использовать формат с потерями, когда форматы без потерь предлагают идеальные копии оригинальной музыки?

Типы цифровых аудиофайлов

Как мы уже обсуждали, цифровые аудиофайлы можно сохранять как с потерями, так и без потерь, а также с различными битрейтами и битовыми глубинами. Как и во всем остальном, существуют конкурирующие форматы цифровых файлов. Некоторые форматы файлов имеют открытый исходный код, а некоторые принадлежат компаниям.

Преимуществом многих типов цифровых аудиофайлов является включение метаданных (обложка альбома, информация об исполнителе и названии песни и т. д.) в самом файле.

Пример полей метаданных в цифровом аудиофайле. (От: creativefieldrecording.com) Аудиоформаты с потерями

Наиболее распространенными форматами с потерями в цифровом аудио являются универсальные Аудиоуровень MPEG-1 III (MP3) и его запланированный преемник Усовершенствованное кодирование звука (ААС). Оба они чрезвычайно популярны, поскольку альтернатива AAC имеет небольшое преимущество в качестве звука при той же скорости передачи данных.

MP3 является стандартом с открытым исходным кодом, а AAC используется в Apple iTunes, потоковой передаче Apple Music и потоковой передаче YouTube.

Огг Ворбис (ОГГ) — еще один формат файлов с потерями, который популярен из-за того, что его можно использовать бесплатно и без патента. Он используется для внутриигровой музыки во многих видеоиграх и является форматом, в котором Спотифай потоки музыкальных сервисов.

Аудио Windows Media (WMA) представляет собой серию проприетарных аудиокодеков, разработанных Майкрософт. Они включают несколько разных версий: WMA (с потерями), WMA Voice (с потерями только для голоса), WMA Pro (многоканальный) и WMA без потерь.

Мастер-качество подтверждено (контроль качества) был запущен в 2014 году компанией Меридиан Аудио и представляет собой гибрид сжатия с потерями и без потерь. Это спорный формат из-за лицензионных ограничений и спорных требований к звуку по сравнению с результатами. MQA в основном используется TIDAL потоковый сервис.

«Нет никаких сомнений в том, что MQA ухудшает качество звука для пользователей, у которых нет декодера MQA. Совместимая часть сигнала MQA эквивалентна от 13 до 15 бит при частоте дискретизации 44,1 кГц или 48 кГц.

Потеря разрешения происходит из-за понижения частоты дискретизации, шума дизеринга и псевдослучайного шума из высокочастотного канала сжатия, который занимает младшие 8–11 бит. При полном декодировании разрешение MQA ограничено 17 битами при частоте 96 кГц». – BenchMarkMedia.com

Сравнение аудио с потерями и без потерь. (От: 7labs.io) Несжатые форматы аудио без потерь

Формат звукового файла формы волны (WAV) был разработан Майкрософт и IBM, и является стандартным методом кодирования формата компакт-диска. Он несжатый и поэтому требует гораздо больше места для хранения, чем форматы со сжатием без потерь.

Формат файла обмена аудио (AIFF) был разработан Яблоко в 1988 году как альтернатива WAV (также без сжатия) с улучшенной поддержкой метаданных.

Форматы аудиофайлов без потерь поддерживают как стандартное аудио, так и аудио высокого разрешения.

Распространенные форматы цифровых аудиофайлов. (От: whathifi.com) Сжатые аудиоформаты без потерь

Бесплатный аудиокодек без потерь (FLAC) является (почти) универсальным стандартом благодаря открытому формату и бесплатному лицензированию. Официально не поддерживается Apple, так как у них есть свои Аудиокодек Apple без потерь (ALAC) формат. Оба могут уменьшить размер исходного несжатого файла примерно на 50 процентов и сохранить идентичную копию исходных аудиоданных.

М4А представляет собой цифровой аудиофайл, сохраненный в формате MPEG-4 и закодированный с помощью AAC или ALAC (и поэтому может быть с потерями или без потерь).

Прямой цифровой поток (DSD) (форматы .dsf и .dff) был создан Сони и Филипс для их Супер аудио компакт-диск (SACD) формате. Файлы DSD имеют несколько частот дискретизации, от DSD64 до DSD512, которые сэмплируют звук с частотами от 2,8224 МГц до 22,5792 МГц (в восемь раз выше скорости SACD). Он также известен как 1-битный битовый поток SACD.

Более распространенный стандарт Импульсно-кодовая модуляция (ПКМ) использовался в конкуренте SACD DVD-аудио и предмет какой формат (DSD или PCM) лучше находился в постоянном споре. Оба формата используют разные подходы к частоте дискретизации и битовой глубине.

Аудио высокого разрешения (Hi-Res)

Что представляет собой звук высокого разрешения, является предметом некоторых споров. ЧтоHiFi обеспечивает что, вероятно, самое безопасное определение:

«Группа цифровых развлечений, Ассоциация бытовой электроники и Академия звукозаписи вместе с лейблами звукозаписи формально определенный звук высокого разрешения как: «Звук без потерь, который способен воспроизводить весь спектр звука из записей, которые были мастерингованы из музыкальных источников с качеством выше, чем у компакт-диска».

Проще говоря, аудио высокого разрешения, как правило, относится к музыкальным файлам с более высокой частотой дискретизации и/или разрядностью, чем у компакт-диска, что соответствует 16 бит/44,1 кГц».

Логотип сертификации Hi-Res Audio. (От: shelleypalmer.com)

Возможно, вы заметили включение «Hi-Res Audio» и «Hi-Res Audio Wireless». сертификация логотипы на многих аудиопродуктах в последнее время. Определение «аудио» было объявлено Японской ассоциацией производителей электроники и информационных технологий (JEITA) в 2014 году, а определение «беспроводная связь» было объявлено в 2018 году.

Сертификация определяет минимальные условия, которым должны соответствовать продукты (усилители, микрофоны, динамики, наушники и т. д.), чтобы эта ассоциация считала их Hi-Res и отображала логотип.

Где я могу купить музыку в высоком разрешении? ServiceGenreПоддерживаемые форматы файлов

7цифровойАльтернативный, эмбиентный, африканский, американский, блюзовый, классический, кантри, христианский, рождественский, камерный, детский, танцевальный, дип-хаус, драм-н-бейс, дэнсхолл, дабстеп… FLAC (24-бит).

Акустические звуки Super HiRezБлюз, поп/рок, классика, вокалистки, фолк, джаз… DSD, FLAC и ALAC.

HDтрекиРок, классический рок, поп, джаз, классика, кантри, электроника, фолк, фьюжн… AIFF, ALAC, WAV, FLAC и DSD. Частота дискретизации достигает 352/24 бит.

iTraxАкустика/гитара, блюз, акустика/инструментал, рок/поп, джаз, классика, кантри/фолк, электро/инструментал, мир, кроссовер, R&B и рождество.FLAC и WAV.

Нативная музыка DSD и не толькоBig Band, Classical, Classical Compilation, Classical Crossover, Gospel, Independent Acoustic, Jazz, Jazz Compilation… DSD.

КобузПоп, рок, электроника, соул, фанк, R7B, рэп, блюз, кантри, фолк, саундтреки, классика, джаз, мир и дети.FLAC (24-бит).

Мастера ПроСтудиоАльтернативный, блюзовый, классический, кантри, франкоязычный, праздничный, джаз, поп, R&B/соул, рок… AIFF, ALAC и DSD (до 11,2896 МГц).

Сравнение различных типов файлов. (От: play-fi.com)

Если вы предпочитаете подписаться на услугу потокового аудио высокого разрешения (а не покупать и загружать музыкальные файлы), вам лучше всего сделать следующее:

Цифровые входы и аналоговые выходы

Цифровые и аналоговые разъемы на задней панели Brooklyn Dac+. (От: mytekdigital.com)

Проводные цифровые соединения

Как уже упоминалось, для ЦАП требуется цифровой источник (иногда называемый «транспортом»), обслуживающий цифровой аудиофайл в виде потока 1 и 0. Этот источник может быть подключен к ЦАП через цифровой порт и кабель или даже по беспроводной связи. Хотя есть несколько менее распространенных цифровых аудиоинтерфейсов (Вордчасы, FireWire, Удар молниии т. д.), которые мы для краткости пропустим, наиболее распространенными типами проводных цифровых соединений, встречающихся в ЦАП, являются:

AES3

AES3 (или AES/EBU) — это стандарт, созданный Audio Engineering Society для передачи цифрового стереофонического аудиосигнала (2 канала несжатого аудиосигнала PCM) по одному цифровому кабелю XLR. Несмотря на то, что физически он выглядит так же, как стандартный кабель XLR, использование аналогового кабеля XLR вместо цифрового может оказаться невозможным, но обратная ситуация будет работать.

S/PDIF

‘Цифровой интерфейс Sony/PhilipsСтандарт (S/PDIF) существует уже несколько десятилетий. От Википедия: «Сигнал передается через коаксиальный кабель с разъемами RCA или оптоволоконный кабель с разъемами TOSLINK. S/PDIF соединяет компоненты в домашних кинотеатрах и других цифровых системах высокой четкости».

S/PDIF способен передавать звук со скоростью до 24 бит.

Коаксиальный

Коаксиальный относится к стандартному электрическому соединению стандарта S/PDIF, как правило, через один 75-омный коаксиальный (2-жильный) кабель. Обычно подключается через одно RCA соединение, хотя 3,5 мм, BNCили можно использовать различные нестандартные разъемы и розетки.

Использование разъемов RCA для коаксиальных сигналов далеко не идеально, поскольку RCA не может поддерживать указанный номинал 75 Ом, как разъем BNC, однако он стал отраслевым стандартом.

«Разъемы BNC, предназначенные для использования в видео (но не предназначенные для других целей!) рассчитаны на характеристическое сопротивление 75 Ом… существует ли настоящий штекер RCA на 75 Ом? Не совсем…

…размеры вилки и гнезда RCA не соответствуют характеристическому импедансу 75 Ом… обычная вилка RCA под пайку становится асимметричной и резко отклоняется от требуемых размеров для поддержания импеданса в 75 Ом…» – Синий Джинсовый Кабель

USB, коаксиальный и два оптических цифровых входа на V90. (От: musicfidelity.com) TOSLINK

ТОСЛИНК (Toshiba Link) изначально был разработан для соединения проигрывателей компакт-дисков Toshiba с их усилителями. Это стандартизированный оптоволоконный разъем и кабель, который обычно называют просто «оптическим кабелем». Домкраты легко узнать по квадратной форме и ярко-красному свету.

Сам светопередающий кабель обычно изготавливается из пластика, что ограничивает его полезную длину до 5-10 м, и его можно легко повредить, если он туго скручен или согнут. Доступны более дорогие кабели из стекла или кремнезема.

Существует профессиональный стандарт звука. Световод ADAT который использует те же разъемы, что и TOSLINK, но несовместим.

Гнезда TOSLINK были очень распространены на компонентах домашнего кинотеатра (до появления стандарта HDMI) для передачи объемного звука 5.1 или 7.1 (Dolby Digital или DTS). Он поддерживает до 2 каналов несжатого ПКМ аудио (объяснение звука PCM ниже). Оптические кабели не подвержены таким проблемам со звуком, как контуры заземления и радиочастотные помехи.

Мини ТОСЛИНК

Mini TOSLINK — это (как вы уже догадались) стандартный оптоволоконный разъем меньшего размера. Снаружи мини-разъем TOSLINK выглядит так же, как обычный разъем для стереонаушников 3,5 мм. Фактически, комбинированные разъемы используются на многих устройствах (например, на многих моделях Apple MacBook Pro), которые могут принимать либо разъем для наушников 3,5 мм, либо разъем mini TOSLINK.

Штекер mini TOSLINK на 0,5 мм длиннее стандартного аудиоразъема 3,5 мм, поэтому электрические соединения отделены от оптических и не повредят светодиод передачи в гнезде.

USB

Универсальная последовательная шина (USB) аудио несколько сложнее, чем предыдущие цифровые соединения, так как оно бывает разных видов. По USB аудиосигнал передается пакетами, а не непрерывным потоком аудио PCM.

Для этого требуется дополнительный тактовый сигнал, чтобы все было вовремя, а также схема в ЦАП для декодирования пакетов обратно в аудиопоток.

Я не хочу тратить слишком много времени на детали, а скорее коснусь USB на более высоком уровне, чтобы у нас было общее представление о том, как все это работает.

Простой ЦАП OL с одним входом USB и выходами RCA. (От: jdslabs.com)

USB обеспечивает три изохронных (с фиксированной пропускной способностью) типа синхронизации, каждый из которых используется аудиоустройствами:

• Асинхронный — АЦП или ЦАП вообще не синхронизируются с часами хост-компьютера, работая с автономными часами, локальными для устройства.

• Синхронный — часы устройства синхронизируются с сигналами USB start-of-frame (SOF) или Bus Interval…

• Адаптивный — часы устройства синхронизируются с объемом данных, отправляемых хостом за кадр.

…в хай-фай world, где асинхронный режим рекламируется как функция, а адаптивные/синхронные режимы имеют плохую репутацию. На самом деле все типы могут быть качественными или некачественными, в зависимости от качества их разработки и области применения.

Преимущество асинхронности в том, что она не привязана к часам компьютера, но недостаток в том, что она требует преобразование частоты дискретизации при объединении нескольких источников». – Википедия

Достаточно понимать, что цифровая музыка отправляется в виде пакетов данных от источника (по кабелю USB) к ЦАП в периодических временных рамках, определяемых часами. В наши дни асинхронная передача данных (где источник не определяет время) обычно является предпочтительным методом в аудиоприложениях высокой точности.

Классы USB-аудио

Существует три класса USB-аудио, сокращенно UAC (USB Audio Class) или ADC (Audio Device Class), и они творчески названы Class 1 (или UAC 1), Class 2 и Class 3. Все они могут передавать высококачественный звук, но отличаются разрешением, которое они могут поддерживать.

UAC 1 способен поддерживать максимум 24 бит/96 кГц (разрядность/частота дискретизации) для стереозвука. Классы 2 и 3 поддерживают максимум 32 бит/384 кГц.

Перед Windows 10 выпуска 1703 в 2017 году, Windows по умолчанию поддерживала только UAC 1 и требовала установки дополнительных драйверов для поддержки класса 2. Apple Mac OS по умолчанию поддерживает как класс 1, так и класс 2.

UAC 1, UAC 2 и UAC 3 отличаются от общих спецификаций USB 2.0, USB 3.0 или USB C, которые определяют скорости, кабели, разъемы и т. д. и не относятся конкретно к звуку (например, UAC). Путь с запутанной номенклатурой.

«USB 2.0 и аудио хорошо работают вместе. Потоки данных высочайшего качества звука с 7 аудиоканалами с максимальной скоростью передачи данных легко вписываются в доступную полосу пропускания USB 2.0. Что не было идеальным, так это энергопотребление существующего аудиостандарта USB». – Синопсис

Более новый UAC 3 появился с появлением спецификации USB C и предназначен для повышения энергоэффективности за счет периодической передачи данных, а не постоянного включения. Это также позволяет производителям добавлять функции (например, поддержку шумоподавления) и удалять традиционный аналоговый разъем для наушников 3,5 мм с мобильных устройств для повышения водонепроницаемости.

Просто чтобы еще немного замутить воду, все классы USB фактически поддерживают передачу как аналогового, так и цифрового звука. Это влияет только на подключение наушников, но не на ЦАП, для которых требуется цифровое подключение. Android и USB OTG

Android всегда немного дикий запад в том, что касается стандартов, и цифровая передача звука (к сожалению) ничем не отличается. В последний раз набор аудиофункций Android USB официально обновлялся в 2014 году до версии 5.0 (Lollipop). Большинство последних обновлений аудио для Android были направлены на улучшение поддержки кодеков Bluetooth.

Android 4.1 и выше поддерживает «Режим аудиоаксессуара”, который имеет максимум 16 бит/44,1 кГц. Это единственный способ получить аналоговый звук через интерфейс USB. Android 5.0 и более поздние версии поддерживают подмножество UAC 1 с максимальным разрешением 24 бита/48 кГц.

Логотип USB OTG. (От: wikipedia.org)

Для обеспечения аудиоформатов с более высоким разрешением используется специальный USB-кабель под названием «USB на ходу‘ (OTG) кабель должен использоваться для запуска ‘USB-хост‘ функциональность Android-устройства. Затем можно использовать специальное приложение и драйвер для включения стереофонических и многоканальных потоков (до 32-битного разрешения и более высокой частоты дискретизации).

Типичное приложение аудиоплеера для сопряжения с USB OTG: USB-аудиоплеер PRO. Он поддерживает большинство аудиоформатов (например, DSD, FLAC, MQA, APE, MP3 и т. д.), а также более высокие разрешения и частоты дискретизации.

Беспроводные цифровые соединения: Bluetooth

Некоторые новые ЦАП поддерживают беспроводные подключения от источника в дополнение к традиционным проводным. В частности, мы говорим о поддержке Bluetooth, но важно отметить, что наше реальное внимание сосредоточено на подключении источника к внешнему устройству ЦАП, а не к наушникам с поддержкой Bluetooth.

Эти беспроводные ЦАП подключаются к источнику не по проводу, а по Bluetooth. Затем к ЦАП кабелями подключаются наушники или усилитель.

• Источник → Беспроводное соединение Bluetooth → ЦАП → Аналоговые кабели → Наушники или усилитель

Беспроводной ЦАП EarStudio ES100. (От: makkyon.com) Беспроводные ЦАП и кодеки Bluetooth

СБК — это базовый кодек низкой сложности для Bluetooth, который поддерживает частоту дискретизации до 48 кГц и скорость передачи данных 345 кбит/с для стереопотоков.

Bluetooth часто использует aptX формат сжатия для беспроводной потоковой передачи аудиопотока более высокого качества на устройство. Первоначально разработанный в 1980-х годах, aptX представляет собой семейство проприетарных алгоритмов сжатия аудиокодеков, принадлежащих Qualcomm.

Недавний aptX HD поддерживает звук высокой четкости с частотой дискретизации до 24 бит/48 кГц и считается «почти без потерь», поскольку сохраняет звуковые частоты до 20 кГц и динамический диапазон не менее 120 дБ. Его основным конкурентом является Кодек LDAC.

Кодеки Bluetooth. (От: androidauthority.com)

LDAC также является кодеком с потерями. Разработано Сони, LDAC поддерживает до 24 бит/96 кГц и является первым беспроводным кодеком с сертификацией Hi-Res Audio Wireless (с сентября 2019 г.). Начиная с Android 8.0 (Oreo), LCAC имеет открытый исходный код и может свободно интегрироваться в устройства Android.

LHDC означает аудиокодек с низкой задержкой и высокой четкостью. По сравнению с аудиокодеком SBC, LHDC позволяет передавать почти в 3 раза больше данных (900 кбит/с).

ААС (или Advanced Audio Coding) — это беспроводной кодек, который выбирают портативные устройства Apple. Устройства Android, как правило, избегают этого или не справляются с ним эффективно.

Важно отметить, что хотя беспроводные цифровые соединения способны отправлять аудиоданные высокого разрешения на некоторые ЦАП, в отличие от проводных, Bluetooth не является цифровым соединением без потерь.

Кодеки Bluetooth не обеспечивают такого же качества, как прямое проводное цифровое соединение. Тем не менее, слышимые последствия этого соединения с потерями продолжают уменьшаться с каждым последующим выпуском стандарта Bluetooth.

Аналоговые выходы

Итак, вы подключили ЦАП к источнику с помощью одного из указанных выше цифровых соединений. Теперь пришло время передать этот сладкий, сладкий аналоговый звук в наушники или усилитель. К счастью, аналоговая сторона вещей немного проще для понимания.

Аналоговые выходы RCA и XLR слева и цифровые входы справа на задней панели Yggdrasil. (От: schiit.com)

Наиболее распространенные аналоговые выходы ЦАП, с которыми вы, вероятно, столкнетесь:

RCA

Выходы RCA (Radio Corporation of America) использовались с 1940-х годов для подключения фонографов, так родился вездесущий разъем «фоно». Он приобрел популярность в 1950-х годах с домашними стереосистемами и с тех пор практически не изменился.

Используйте разъемы RCA на своем новом ЦАП для подключения к усилителю для наушников или домашней стереосистеме, независимо от возраста других компонентов.

Будучи немного энтузиастом винтажного звука, с любовью к оборудованию Marantz эпохи 70-х, то, что этот стандарт восторжествовал, является настоящей удачей. Все стереокомпоненты совместимы при использовании одних и тех же кабелей через аналоговые разъемы RCA. Ура!

Гнезда RCA могут иметь переменный выход с использованием регулятора громкости или, что чаще, они могут быть выходом «линейного уровня». Стандарт линейного выхода обычно определяется как импеданс источника 100-600 Ом и достигающий 2 вольт от пика к пику.

Наушники

Разъемы для наушников бывают как 3,5 мм (1/8 дюйма), так и более крупные 6,3 мм (1/4 дюйма). Наличие разъема для наушников указывает на то, что внутри ЦАП также есть схема усилителя (это интегрированный блок ЦАП/усилитель).

XLR

Гнезда XLR выглядят как круг с 3-4 контактами и используют стандартный штекер для подключения микрофона. Как правило, они включены в ЦАП более высокого класса с симметричной выходной схемой. Для получения дополнительной информации я предлагаю прочитать нашу статью «Сбалансированные и несбалансированные».

Краткое содержание

Это подводит нас к концу части 1. Теперь мы хорошо понимаем важность качества и форматов цифровых аудиофайлов. Мы также рассмотрели лучшие способы подключения ЦАП к цифровому источнику, усилителю или наушникам. С этими основами мы готовы ко второй части «Введение в ЦАП” направляйте и исследуйте, что происходит внутри ЦАП, чтобы преобразовать этот цифровой файл в музыку.