打造高端便携异步解码器（使用XMOS异步接收+超低抖动处理+万元级CD音质）

lideng314

      鉴于最近大家对听音乐的要求是越来越高了，肯定是需要比较好的音源的，目前USB解码越来越火了，于是花费全身心血打造高品质便携DAC。
      首先这是一台USB接口的解码器，主力是USB界面的性能。常见的USB接口芯片比如PCM27XX，PCM29XX，CM108之类cheap芯片的出来的信号都是使用内部锁相环产生的其抖动非常巨大，作为一个音响系统，如果源头不好后面再怎么优化都是无尽于是。采用目前比较成熟的XMOS异步方案，其抖动小、性能高。
      
      使用AD1852作为DAC，这款芯片的声音不用多说，他被采用在英国之宝的508、G07、G08的CD中。他的声音富有强烈的雄壮的感染力，低频弹性与下潜均非常出色，中频健美扎实无比，高频内敛而温顺，大受烧友喜爱。各方面指标也比较优秀。
      为了便携性我将他做的只有智能手机大小，无论是在办公室、旅行的路上、合租的宿舍，只要有台电脑，接上它戴上耳机，你就可以享受高品质的音乐。
      说完了想法再谈架构，废话不多说，直接上图：
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USB接收：使用XMOS作为USB接收界面，最高支持192KHz，兼容16Bit和24Bit数据格式。XMOS芯片并没有使用内部锁相环，不同频率的切换是靠两颗外部晶振提供。
晶振：晶振采用FOX的超低相噪的晶振，抖动仅为2.8pS RMS。
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抖动抑制：使用特殊的电路形式来处理XMOS输出的音频流，将XMOS端引脚输出的抖动降到最低，再结合合理的布局使整体抖动尽可能的小，使声音细节更加丰富，更具有模拟味。
AD1852：AD1852是ADI公司的一款高性能DAC，在电压输出型的DA当中性能优异。经过样机的制作，AD1852声音中正，弹跳力好，中频浑厚有力，高频飘逸，整体偏监听风格，适合表现人声、古典独奏、流行类音乐。上面有朋友提到AD1852是否过时了，关于这个问题我想说的是DAC这个东西并不会因为年代略为久远而被淘汰或取代，就像大家现在还津津乐道于TDA1541、PCM1702/4、AD1862…
音量控制：使用MAXIM公司DS1808芯片，因为高性能数字音量芯片噪音小、线性度高、对称性好，这都是普通机械电位器所无法比拟的。这款芯片总谐波失真（THD+N）仅为0.0005%、输出噪声仅为2.2uVrms，在这里并不会对声音造成任何负面影响。
耳放：耳放电路是采用经典的OP加三极管的形式，这款经典的耳机放大线路长久以来一直受到广大烧友一致的好评。这里在基本的电路形式上稍加改进而成，使声音更加沉稳有力、动态更大、噪音更小。
      说完架构，再聊一聊供电问题。一个好的DAC需要优秀的电源，很多人都认为仅靠USB供电获得不了很好的效果，然而依靠优秀的电源芯片和合理的滤波电路是可以弥补这一缺陷的，具体见图：
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      USB电源进来以后，首先经过一个π型滤波，为了减小器件相互之间的干扰，所有的关键部分都采用独立稳压供电的形式。在稳压器件的选取上也有选择性的采用了高速开关稳压和低噪音的LDO。
      对于晶振的供电，他实质上是一个高频率模拟器件的供电，他即要抑制来自上游电源和下游负载的噪声，又需要很高的抗干扰的能力。但是晶振的电源抑制比往往不高，这时就需要一个高速响应的低噪声稳压器。
      AD1852作为核心的解码器件，他的内部既有数字负载也有模拟负载。数字负载的重要特征有线路调整率和负载调整率以及瞬态下冲和过冲，在给AD1852内核供电时没有足够的调整率将导致内核闭锁，这里需要一款具有较高的效率并能处理快速变化电流的稳压。模拟供电则需要较低的噪音即可。
      关于LPF和耳放的供电不仅需要低噪音，还需要一定的电压和电流，这将直接影响到输出性能和听感，这里将电源升压到+-8V。
      方案确定以后，经过反复的PCB修改，采购和调试，现在已经能完美播放192K 24Bit音频流，调音工作也完成得差不多了。给几张刚完成的照片：
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      前期指标已调整到位了，所以这次的重点任务在调音上。为了给调音留空间，这次在画PCB的时候设置了很多可以调整的地方。通过参考多台名机以及自己对声音的认识，反复调整原件的参数作对比试听，前后尝试几十种运放搭配、耦合电容、电阻的参数等，最后综合指标以及听感作出决定得到比较完美的声音。
      AD1852这款DAC性能优异有着迷人的声音，曾被用在英国之宝的CD中，有着比较好的口碑。我选用这款DAC也是因为曾被它深深吸引，现在我要把它这个特性表现得更好，反复调整后，现在的中频有很好的密度感，不生硬，收放自如，不拖沓低音。  低音调节的感量稍多点，主要是平稳，再搭配漆黑的背景，显出动态感和弹跳力。  高音的环节，做得相对监听一点，偏细腻温顺。
      这台USB DAC给人的感觉不是那种特惊艳的感觉，初听不会令人耳目一新，但随着时间增加，你会被它的声音深深打动。借用一句中肯的评语：它的音色既有传统英国音色的甜味、斯文稳重，又有美国器材高分析力、声音干净的特点。   这款机器听起来更像是一台高档CD机，而不是数码味浓郁USB解码器。
      听人声，声音结像在正前方，不会感觉太近，没有明显的齿音，声音很稳，伴奏四散展开。在大小提琴协奏上，空间方位明确，松香味很浓。古典交响能拉开一定的距离，不会太远，轮廓清晰，低音鼓强劲有爆发力。在蓝调爵士音乐上表现最为出色，能把演唱者高超的演唱技巧细致的呈现出来，爵士鼓搭配贝斯的背景节奏强烈，给人一种很舒适的聆听感觉。
      关于指标，这次调音后也做了个系统的测试，使用的是EMU1212M声卡，这个声卡AD的指标是很高的，用来做业余的测试完全足够了，具有一定的参考价值。当然以后还是希望找机会用更加专业的设备来测试。
      把这次测试的结果整理了下，与ADI公司的典型指标做个对比：
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从表格可以看出各项指标均非常接近官方EVM板指标，这里已经将AD1852的性能完全发挥出来。
(PS：官方手册上使用的是SSM2135，所以THD会有出入)
这个是24Bit44.1KHz下1K-1dB信号的频谱：
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下面是抖动测试图（high-resolution jitter spectrum of analog output signal, 11.025kHz at –6dBFS, sampled at 44.1kHz with LSB toggled at 229Hz）：
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这个是国外测试某顶级CD机的抖动图：
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这个是抖动严重的某机器抖动图(图中红色曲线)：
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      从以上结果看来，这次用低相噪的晶振以及降低抖动处理得还是比较成功的，与异步重采样的方式不同，这样的抖动降低，我认为更好，不会改变信号原本的样子，至于升频以后音色发生改变，那个以后再具体研究。现在这个结果对于一个只有手机大小的USB DAC来说已经很理想了。
再附上两张内部照片：
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krellZou

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这种好帖一定要顶。很久没有这类制作心得

andyyao

外壳再设计地精美些,产品肯定大卖.{:soso_e181:}

lideng314

andyyao 发表于 2013-12-27 10:00
外壳再设计地精美些,产品肯定大卖.

多谢指点[s:21]

wldd

lideng314 发表于 2013-12-27 17:04
多谢指点

卖个几百元  肯定会热销的[s:97]

lideng314

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先说抖动吧，这里来粗略的科普下：
      首先这个世界不是完美的，比如时钟，他不可能刚刚好每1s走的都是准确的1s，就算是铯原子钟达到500万年仍然有 1 秒的误差。
      抖动是指信号在产生和传输过程中产生的在时间上的不确定现象。比如假定每1000ns（1ns=10-9s）传输一个信号，可现实世界没有那么完美，不可能刚好在1000ns整时候传输下一个信号，而是可以在1000.1ns时候传输下一个信号，999.8ns的时候传输另一个信号。。。。。。下面是一个眼图测试，可以看到信号并不是完全重叠的而是有一定的错位的。
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      优质的晶振只是说输出的信号的时间间隔的波动比较小，也就是常说的抖动比较小或者说是相位噪声比较小。难道仅仅用一颗好晶振就行了吗？当然不是任何一个产品都是一个系统工程，都有一个木桶效应，用好的晶振只是说让晶振不会成为木桶的短板。
音频流会经过数个原件和比较长的路径才能最终输出。比如在CD机里，信号是从CD机光头到信号处理电路，再从中提取出音频流输出到DAC。比如在解码器里，信号先是从同上一级的同轴输出经过信号线到解码器，经过同轴变压器到信号缓冲电路才到同轴接收芯片，同轴接收芯片经解码后将音频流送到DAC（这里同轴接收芯片里面还需要PLL对信号进行同步，这里会产生不小的抖动）。就像前面说的世界不是完美的，音频流经过每个流程的时候本可能每次都是一模一样的即所谓的抖动，所以就算是一颗天价的晶振也没用，但这里我们能做的就是尽可能的去降低每一个环节抖动，使木桶达到一个最佳的平衡。
      再聊聊测量方法吧，一般抖动需要用到眼图仪或者大于10G的示波器才能测量。在这里（指音频设备）因为输出有颗高性能DAC，前端音频流的抖动的大小会在输出的模拟信号有所反应，通过播放特殊的信号来看模拟输出的FFT图是可以间接衡量抖动的大小（推算公式有点复杂就不列出来了）。
这是个原始信号的FFT图：
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      大家可以看到在11K的周围均匀分布着-125dB的谐波，这些谐波能不能正常的播放出来以及会不会产生更多的谐波，通过这2点来判断一个解码器的抖动性能，不单纯的看晶振的抖动或数字信号端的抖动，他们并不能代表解码器性能的好坏，So这是一个系统的测试。

这里给出一张抖动比较差的图 (Stello USB-SPDIF Jitter Test from stereophile)：
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图中可以看到有很多的谐波失真，到了-112dB，这就是抖动比较大的例子。
      提到抖动有人会想到ASRC，但这个在降低抖动的同时对信号本身进行了改变，如果抖动信号经过ASRC会成这样(Musical Fidelity V-DAC Jitter Test from stereophile)：
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可以看到，原本的应该有的信号没有了，这个改变会带来好处还是坏处，后面再说。


      LZ-Q1在这里使用的多重技术来尽可能的去降低每一个环节抖动。首先使用XMOS的异步的界面方案，就将电脑端的影响降到最小了。然后选用低抖动&相噪的晶振来提供时钟信号避免木桶效应。如果这样直接接到DAC也不会有这么好的效果，这也就是有人说XMOS效果不好的原因。在这里音频流经过了自己设计的电路，能够降低XMOS端引脚的抖动，能够提供给DAC一个非常优质的信号。
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      当然这还是不不够的，在设计上需要合理考虑各部分的布局，如哈降低各部分的干扰，如何保证信号的完整性，这是需要大量经验的，而不是简简单单堆在一起就完事了。
PS：前面有提到Crystek的晶振，我也仔细研究了的他的指标的，并肢解了一个分析，确实是个好晶振。但是在这里作为一个便携的平价的设备而言，之前选用的晶振已经足够不会构成短板了，如果换成Crystek的晶振提升也不是太大。
经过抖动抑制电路后LZ-Q1的抖动测试图如下，这是实测数据并不含有任何虚假成分：
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再列两台高档名机作为对比，第一台是DCS的Debussy ，参考售价6.2万(dCS Debussy Jitter Test from stereophile)：
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第二台是Simaudio的Moon Evolution 650D，参考售价6.3万(Simaudio Moon Evolution 650D Jitter Test from stereophile)：
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      从上面的几张图可以看出来，这台机器的抖动并不比高档设备差多少，可以说其抖动性能已经很优秀了。

      讲声音有万元的音质，这个可能是大家最不理解的地方，因为现在大家都在以价格论英雄，这个说法也许更容易让人产生一个标准。在这里还是对于说出这样的话表示歉意，还是仔细说下这个机器的调音吧。

谈到调音问题其实又陷入了一个洗不清的黄河，
      现在大家都口口相传这个机器是什么声，那个机器的调音怎么的好，这个机器调音是什么风格的，这个品牌的设计师是怎么怎么的做得好等。但是有个问题一直没有说法，那就是   这个机器到底调音了么？   或者说是   这个机器的音色有没有被反复的研究再发售？
不管别人的机器到底是怎么处理的，但是LZ-Q1绝对是保证经过了反复的锤炼的，这个解码从工程板到现在成型，反复的针对音色调整，目的只为了能表现出我认为最佳的效果。不说电路上有什么样的调整，就说尝试过的运放已经是一百多种，基本能想到的运放都试过了。这里不是盲目的调整，而是为了排除必然的和偶然的可能性，这样才是万无一失的。
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      什么才是好声音？这个问题各执一词，怎样的调音才对？这个问题众说纷纭。白版有句话说得好“声音的品质，确实可以细分成很多方面、项目去观察和描述，但是，对声音品质的总体把握，我觉得应该建筑在“整体的感受”之上。”对于这个观点，我很赞同，我以为能耐心的听下去，沉浸在音乐中找寻自己断断续续的情感就是我要的，简单的说就是耐听。这个是最重要的元素，如果不能让人觉得舒适，何谈享受。

      这台机器调音的重点是什么？那就是稳重大气的中频了，这样的中频是迷也是因为只有它能最能表现这样的中频，并不是说其他DAC的中频不好，只是AD1852的中频性能最突出。把抖动做小，把低噪控制好，失真做小的一切都是为了给这中频创造条件，这样中频可以更加细腻，音准更好，具有穿透力。一台机器的中频好，能给人深刻的印象，演唱者演唱的感情，歌曲优美的旋律，提琴浓郁的松香味，萨克斯性感的曲线这些都是能给人留下深刻印象的地方，这些演奏的频段就是在中频，然后高低两端稍加辅佐，衔接得柔和一点，就是我认为的好感觉。

      关于用ASRC升频的机器不凑巧，这边就刚好就有两台典型，一个是柏林之声052，一个是音乐之旅的EMC-1UP，这两台机器我都有仔细听过，两台机器各有千秋，052的密度感控制的刚刚好，听起来细节非常丰富，音乐之旅的声场巨大，整个感觉非常松软，细节显得少些，在交响上有极其宏伟的表现。声音经过升频之后低音变得更加松软而浓郁，动态明显大些，中频细腻，唯一有问题的就是高频，在播放有些高频时明显有失真，甚至变成了噪音，这个就是改变原有信号照成的，所以ASRC到底是好是坏还有待探讨。
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如果感兴趣欢迎加入讨论群：331037863
或者X宝搜索：LZ-Q1

老浦东

顶一下技术派烧友！！！[s:97][s:97][s:97]

A黄金眼

不错的东东，可以试听就好了

聋耳亦爱乐

上面提到音量控制采用数字方式 但实物图是电位器 这个对音质有没有影响

sunrong

不能硬解192的电脑媒体，是不是有点落后了？[s:97][s:97]

普兰

既有科普、理念，又有实践、实测，好帖！

天生快乐

好贴。{:soso_e179:}{:soso_e179:}

scstar18

指标说话，支持。不知道对24-176.4支持的怎么样？

创造神9001

看着都不好听;    家电这坛子容不得垃圾忽悠的, 谁买谁上当;  封了吧

shuzixile

好贴，学习。{:soso_e179:}