Истинно цифровые усилители

Теперь надо упомянуть о цифровых выходах ОРРО для звука; они достаточно заурядны и другие медиаплееры имеют точно такой же их набор или почти такой же. Такие выходы имеются двух основных типов: S/PDIF и HDMI (версии выше чем 1.3). S/PDIF бывает еще продублирован своей оптической версией под названием Toslink и расширенной версией под названием AES. Оптический выход для ортодоксального аудиофила представляется совершенно бессмысленным, т.к. с информационной точки зрения он почти тождественен S/PDIF, не считая небольших потерь на двойное преобразование сигнала. Спрашивается, какой же аудиофил будет с этим мириться. Задуман оптический выход во первых для организации обмена в условиях высоких помех (аудиофилы уже хохочут), а во вторых для устранения проблемы выравнивания потенциалов между корпусами бытовой аппаратуры. Вторая причина важная, но легко решается другими не столь идиотскими способами. Короче оптический выход не для нас. С AES все немного радостнее выглядит, но по большому счету он тоже бессмысленный, как, впрочем, и сам S/PDIF. Почему? А потому, что S/PDIF (AES) это однопроводный интерфейс, т.е. цифровой сигнал по нему передается кадрами предворяемыми пакетами тактовой частоты, а на приемном конце из этих пакетов с помощью схемы ФАПЧ восстанавливается исходная тактовая частота, которой собственно и тактируется цифровой сигнал. Надеюсь все помнят, что ФАПЧ работает не точно, и именно поэтому интерфейс S/PDIF со всеми своими производными никуда не годится. Можно подставить S/PDIF костыль в виде дополнительной линии синхронизации, но во первых это означает дополнительный разъем, который придется вставлять в готовое устройство, а во вторых, если уж вставлять разъем, то хотелось бы решить все проблемы более радикально, без ненужных преобразований в однопроводный сигнал.
Вот тут уже можно упомянуть о том, что внутри ОРРО (да и любых других медиаплееров) цифровые звуковые сигналы передаются между микросхемами по специальной трехпроводной шине называемой I2S (в просторечии "квадратная" шина). Шина эта синхронная, т.е. одна из её линий это тактовый сигнал равный Fs. Поэтому у квадратной шины нет проблем с синхронизацией и было бы очень удобно именно её вывести из ОРРО в качестве межблочного цифрового интерфейса для передачи звука. Но тут есть несколько неприятных моментов.
Первый момент чисто технический.
1a. Шина I2S не рассчитана на использование в качестве межблочной, поэтому для неё не существует стандартного разъема.
1b. Шина I2S рассчитана для передачи сигналов на очень маленькие расстояния, ограниченные размерами корпуса устройства. Поэтому для больших расстояний её надо "умощнить", это называется "буферизация".
1c. Многие бытовые устройства не имеют клеммы заземления и, более того, у многих в стандартном трехвыводном сетевом разъеме даже отсутствует третий контакт, связанный с корпусом. У таких устройств на корпусе может присутствовать достаточно высокий потенциал, способный сжечь любой интерфейс, при возникновении токов между блоками (вспомним про Toslink). К счастью эта проблема радикально решается с помощью гальванической развязки питания интерфейса.
Второй момент, юридический. По существующему авторскому законодательству запрещено выводить высокобитрейтный HD-контент за пределы корпуса устройства. Именно поэтому качество цифрового сигнала снимаемого с цифрового выхода S/PDIF не особо отличается от сигнала с аналогового выхода. Т.е. всех устраивает, что S/PDIF портит сигнал, потому как это соответствует законодательству.
Нашей целью является передача высокобитрейтного HD-контента на цифровой усилитель, поэтому приходится признать, что законодательство несовершенно. Да и я не собираюсь как то распространять этот контент. Буду выводить его только для прослушивания. Надеюсь это смягчающее обстоятельство.
Из вышеизложенного понятно, что буферизованная шина I2S с гальванической развязкой просто идеальный кандидат для передачи высокобитрейтного HD-контента из ОРРО на цифровой усилитель. Но надо помнить, что никаких технический описаний ОРРО не существует, как же отыскать квадратную шину внутри его. К счастью имеется подсказка. Квадратная шина это внутриблочный интерфейс для передачи цифрового звука. Поэтому надо найти на плате устройства такие микросхемки, которые, во первых обрабатывают цифровой звук, а во вторых имеют описания, т.е. даташиты, из которых можно установить на какие их выводы приходит квадратная шина и к этим выводам осторожно припаяться (тут тоже есть хитрости). В случае с ОРРО все проще, в устройстве есть специальная плата ЦАП, подключаемая через разъем, следовательно квадратная шина должна присутствовать на контактах этого разъема. В моем случае моя глупость создала дополнительные препятствия на пути к истине. Выводы разъема на плате ЦАП NuForce Xtreme Edition не подписаны, но я легко установил какие контакты относятся к квадратной шине с помощью осциллографа. А разъем имеет 22 контакта, квадратная шина 3, и для чего остальные так бы разобраться и не удалось, если бы я не попробовал найти в сети фото с родной платой ЦАП от ОРРО. Нашел и, о радость, все контакты на ней оказались подписаны.
Назначение выводов разъема CN12 (под FPC кабель 22 контакта, шаг 1.0 мм)
1 +5V Питание
2 DGND Цифровая земля
3 SACLK      Master Clock
4 SBCK   Bit Clock
5 LRCK   Left/Right Clock
6 DGND Цифровая земля
7 SATA0 Serial Audio Data 0 - данные, канал 0
8 SATA1 Serial Audio Data 1 - данные, канал 1
9 SATA2 Serial Audio Data 2 - данные, канал 2
10     SATA3 Serial Audio Data 3 - данные, канал 3
11     DGND Цифровая земля
12     SATA4 Serial Audio Data 4 - данные, канал 4
13     SATA5 Serial Audio Data 5 - данные, канал 5
14     SCL      Последовательная линия тактирования шины I²C
15     SDA      Последовательная линия данных шины I²C
16     DSD PCM Конвертированный DSD сигнал
17     DGND Цифровая земля
18     DGND Цифровая земля
19     CPU_STBY     Сигнал Стендбай
20     RST Сигнал Рестарт
21     CPU_MUTE    Сигнал Мьют
22     CPU_+5V   Питание процессора
К квадратной шине здесь относятся выводы 4, 5, 7 и хорошо видно, что линий данных здесь не одна, а почему-то шесть. Это потому, что на разъем выведена не шина I2S, а её многоканальный вариант под названием 7.1 I2S. В стереорежиме используется канал 0, на который подаются сигналы для фронтальных АС. Во всех многоканальных режимах по каналу 4 передается стереовариант многоканала в том числе и в двухканальном, т.е. в стереорежиме сигнал идет по каналам 0 и 4. Если в ОРРО вставить диск с многоканальной записью, то появится сигналы и на других каналах. Я попробовал поставить Audio-DVD и действительно звук пошел по каналам 0, 1, 2, и опять же по 4, т.е. запись шестиканальная, т.к. по каждому каналу шины передается стереосигнал. Многоканальная музыка меня пока не интересует, т.к для неё нужны специальные залы и дорогущее оборудование, да и маловато таких записей.
Заслуживает рассмотрения сигнал под названием Master Clock. Это сигнал синхронный с частотой Fs, но умноженной на большое число (степень числа 2). В случае ОРРО это оказалось 512Fs. По идее этот сигнал должен служить для точной синхронизации приемника сигналов квадратной шины, но в ОРРО он получен с помощью схемы ФАПЧ и не может использоваться для Hi-Fi целей. Естественно при смене источника сигнала Master Clock меняется в зависимости от природы источника (т.к. меняется сама Fs): в ОРРО все CD носители порождают Master Clock частотой 22,5792 МГц, а DVD — 24,576 МГц.
И последний интересный момент. На плате ОРРО есть место под еще один разъем CN4, который не запаян, но место под него выглядит также как и под разъем CN12, и я предположил, что этот разъем дублирует CN12 и проверил это тестером. Все линии разъемов оказались продублированы, кроме трех. Это выводы 3, 16 и 18, поэтому я предположил, что этот разъем был первоначально предназначен для платы обработки сигналов DSD, но потом фирма почему-то отказалась от такого намерения. В любом случае к площадкам на плате под этот разъем очень удобно паяться и его вполне можно для этого использовать.
Чтобы закончить с описанием ОРРО приведу самодельную скомпилированную структурную схему ОРРО (BDP-93 Block Diagram)

Что можно сказать о межблочном безджиттерном интерфейсе.
Сегодня "модно" использовать S/PDIF и подпирать его дополнительной линией реклока от приемника, дабы точным обратным тактированием уменьшить джиттер на самой линии S/PDIF. Такое решение напоминает чесание левого уха правой рукой. Данные о величине джиттера для такого решения очень сильно различаются в различных источниках и, я полагаю, сильно зависят от грамотности его схемной реализации. В любом случае на приемном конце линии S/PDIF остается работающая схема ФАПЧ. Даже если предположить, что в данном случае джиттер находится в допустимых пределах (а в качестве нормы чаще всего встречается цифра ±3,5 нс), то остается двойное преобразование из сигнала квадратной шины в S/PDIF и обратно, которое просто не имеет смысла и совершенно точно качества сигнала не улучшает. Единственный резон такого преобразования, это привязаться к имеющемуся на звуковом оборудовании интерфейсу S/PDIF, почти полностью дезавуируется необходимостью технической реализации дополнительной линии и встраиванием в готовый корпус соответствующих ей разъемов.
Квадратная шина возможно не самый оптимальный вариант, но безусловно самый простой. Во первых квадратная шина присутствует практически во всех цифровых звуковых устройствах. Т.е. никаких глобальных преобразований цифрового сигнала скорее всего не потребуется. Задачи буферизации, как и задача гальванической развязки достаточно тривиальны и решаются недорогими типовыми способами. Под буферизацией понимается превращение всех сигналов в дифференциальный вид и передача их по витым парам. Для квадратной шины требуется три витых пары плюс ещё одна для дополнительного сигнала "мастер-клок", т.е. всего максимум четыре пары. Следовательно требуется разъем минимум на 8 линий. Ключевым моментом, который во многом будет определять привлекательность этого интерфейса, является выбор "стандартного" разъема для буферизованной квадратной шины.
Чаще всего встречаются следующие варианты.

 
На мой взгляд имеет смысл рассматривать только варианты №1, 3 и 5 и явным лидером среди них является №3, т.е. сетевой разъем RJ-45. Требование компактности чаще всего выходит на первое место при встраивании в готовое оборудование, наличие готовых и недорогих качественных кабелей тоже немаловажно. Единственное, что может отвратить от выбора RJ-45 это возможная необходимость в дополнительных линиях, но мне кажется, что достоинства RJ-45 настолько велики, что отсутствие дополнительных линий можно будет заложить ещё на этапе проектирования. Рассмотрев все "за" и "против" я остановился на RJ-45, тем более, что такой же выбор делают многие другие самодельщики особенно за рубежом. Что касается порядка использования витых пар, то он должен учитывать применение в качестве межблочного кабеля стандартного патч-корда, а конкретный порядок подачи сигналов не так важен и его можно легко изменить на входе платы со схемой буферизации.
Рассматривать специально конкретные схемные решения буферных дифференциальных передатчиков и приемников не имеет особого смысла. Практически все они позволяют передавать буферизованный сигнал на расстояние до 10 м, что более чем достаточно для межблочного интерфейса. Самым удобным решением на сегодня представляется семейство микросхем SN65LVDSххх. Оно имеет достаточно низковольтное питание, что немаловажно из соображений генерации помех и организации питания от БП готового устройства. В семействе имеются удобные приемники и передатчики с кластеризованными входами и выходами (сгруппированными по разным сторонам корпуса) и практически сходными цоколевками, что позволяет использовать одну и ту же плату для передатчика и приемника, а это почти вдвое уменьшает затраты на платы. Семейство SN65LVDSххх довольно требовательно к качеству питания и поэтому требует обязательного применения стабилизаторов и на приемной и на передающей стороне. Причем на приемной стороне должна присутствовать ещё и схема гальванической развязки, т.е. стабилизатор должен стоять после изолированного DC-DC преобразователя. На линиях питания каждой микросхемы после DC-DC преобразователя желательно применять ферритовые бусины в сочетании с трехвыводными фильтрами-конденсаторами для эффективного подавления дифференциальных помех. Электролитические конденсаторы желательно использовать с полимерным электролитом, например, типа Os-Con.
Т.к. микросхемы SN65LVDSххх требуют стабилизированного питания +3,3 В, то на входе стабилизатора нужно иметь не менее +5 В и, следовательно, такое питание желательно брать от устройства хозяина в которое будет встраиваться буфер. И по этим же соображениям изолированный DC-DC преобразователь тоже должен иметь на входе и выходе по +5 В. Подходит практически любой изолированный DC-DC преобразователь мощностью 1...3 Вт. Напряжение изоляции не столь важно, но все-таки не должно быть менее 1000 В.
И, наконец, в качестве микросхем цифровой гальванической развязки обычно используют продукцию компаний Silabs и TI. Последние показались мне более доступными и я остановился на ISO7240M. Для питания этой схемы нужно два напряжения +3,3 В одно от изолированного источника, а другое от неизолированного, т.е. нужен еще один стабилизатор чтобы получить +3,3 В от неизолированного питания +5 В.
Последний важный момент организации межблочного интерфейса буферизованной квадратной шиной связан с подключением к линиям квадратной шины на плате устройства хозяина. Обычно приходится припаиваться к выводам SMD-микросхем с мелким шагом порядка 0,5 мм, чаще всего это микросхемы ЦАП.
Для таких случаев есть проверенная технология. На любое ближайшее удобное место наклеивается платка с маленьким разъемом (с помощью двустороннего скотча). Что-то типа этого:


Чаще всего используется разъем типа JST SH (с шагом 1.0 мм) или что-то похожее.

Далее к выводам м-мы припаиваются проводники сделанные из обмоточных самолудящихся проводов типа ПЭВТЛ подходящего диаметра (в нашем случае 0,1...0,2 мм), залуженные на концах, которые будут припаиваться к выводам м-мы, примерно на 0,5 мм, а с другой стороны эти проводники припаиваются к платке с разъемом. Т.е. тонкие проводники обмоточного провода используются как своеобразный механический интерфейс между тонкими выводами микросхем и платкой с разъемом. Такой интерфейс полностью снимает любые механические воздействия на нежные выводы микросхем и слабое механически паяное соединение выводов с обмоточным проводом, связанные с подключением и отключением разъема. Провода от ответной части разъема идут, например, к плате с буферами. Теперь можно спокойно в любое время подключаться к нужным выводам не боясь их повреждения. В случае микросхем в BGA корпусе придется припаиваться не к выводам самой микросхемы, т.к. это физически невозможно, а к осторожно зачищенным на несколько мм участкам нужных проводников на печатной плате. Это немного сложнее, но вполне возможно. Тут главное это использование самолудящихся обмоточных проводов. Они изолированы лаком и поэтому имеют меньший диаметр с изоляцией, чем провода с изоляцией из ПВХ, что и позволяет довольно комфортно припаивать такие проводники к тонким выводам и дорожкам на плате. А свойство самолужения совсем не лишнее для облегчения облуживания тонких проводов.

Прежде чем продолжить про Истинный цифровой усилитель звука, я считаю необходимо дать основные понятия относящиеся к квадратной шине. Оказалось это не так просто. Спецификация редакции 1996 года доступна, но перевода её на русский язык я не нашел. Но мы то все-таки в России находимся, поэтому пришлось перевести. А известный специалист в области цифрового звука Александр Торрес любезно согласился отредактировать перевод.
Спецификация шины I2S
А пока я переводил, я, естественно, обратил внимание, что многое, относящиеся к квадратной шине и встречающиеся в современной аппаратуре в Спецификации не описано. Пришлось покопаться в Интернете и собрать воедино самые важные дополнения спецификации квадратной шины. Так родился следующий документ, который тоже любезно подредактировал Александр Торрес.
Развитие стандарта I2S
Буду очень благодарен за замечания и дополнения к этим документам. Пишите прямо здесь.

Насчет Yamaha MX-A5000. Редко сюда захожу, поэтому отвечаю только сейчас.
Насчет денежных средств это не ко мне, а к вашему банковскому счету. Для кого-то Yamaha MX-A5000 покажется недорогой, а для кого-то недоступной по цене.
Прибор имеет входы HDMI, следовательно, до него можно дотащить HD-контент приемлемого качества без особых усилий.
Судя по величине THD встроенных усилителей, использованы D-усилители среднего качества. Т.е. конструкция заточена прежде всего для просмотра кинофильмов.
Я когда-то приобрел нечто похожее, а именно Onkyo PR-SC5509, на момент покупки считавшееся лидером среди подобных устройств. Для кино аппарат прекрасно подходил, а вот музыку через него слушать неинтересно. Вроде все хорошо и искажений на слух незаметно, а слушать не хочется.
Думаю, что MX-A5000 в плане звука будет очень похожим на PR-SC5509.
Среди ресиверов и A/V-процессоров мне удалось отыскать всего несколько устройств прекрасно подходящих для прослушивания музыки и все эти устройства были от фирмы Sony. Я только через несколько лет понял почему это так. Я про это уже писал на нескольких форумах, но повторить не помешает.
Несколько крупных электронных компаний готовились к новому Hi-Fi-буму, который по их расчетам должен был произойти после появления на рынке SACD (1999), но так и не произошел. Под этот бум разрабатывались не только специализированные интегральные схемы (технологии S-Master и S-Master Pro), но и конечная аппаратура в которой эти схемы использовались. То, что бума не будет стало окончательно ясно к 2003 году, который можно считать годом, когда производилась цифровая аппаратура максимального качества с точки зрения воспроизведения музыкального контента. Эти рассуждения в первую очередь относятся к родоначальнику SACD — фирме Sony, которая и чипы разрабатывала и конечные устройства на них. Среди A/V-процессоров тех лет от Sony лидером был TA-DA9000ES, усилители которого были выполнены на 24-х разрядных ШИМ-процессорах CXD9730Q. CXD9730Q это прекрасный прибор, на котором можно построить непревзойденные по качеству усилители звука и весь потенциал которого даже не был задействован в TA-DA9000ES, потому, как и так получилось очень хорошо. Почти сразу был выпущен и A/V-процессор TA-DA9100ES следующего поколения уже 32-х разрядный, на немного оптимизированном чипе CXD9773AQ, но тогда уже стало ясно, что бума нет и поэтому TA-DA9100ES был выпущен ограниченным тиражом для аудиофилов и продавался только в Японии. Этот аппарат очень ценится аудиофилами до сих пор, как, впрочем, и TA-DA9000ES. По качеству звукоусиления с этими моделями могут сравниться только цифровые стереоусилители NAD M2 и может быть Sharp SM-SX300, признанные лидеры цифрового звукоусиления.
Фирма Sony вложила в проект SACD и сопутствующей аудиотехники громадные деньги и, естественно, не могла их списать просто так. Поэтому после 2005 года стали выпускать бытовую аппаратуру на тех же прекрасно показавших себя принципах S-Master, но постепенно снижая планку и тем самым удешевляя модельный ряд, что было необходимо для массового рынка. Были замечены и ресиверы, сделанные на 32-х разрядных ШИМ-процессорах CXD9773AQ. По моему мнению лучшим среди них был ресивер STR-DA7100ES, который уже был гораздо дешевле топовых A/V-процессоров, но благодаря продвинутой элементной базе сохранил все преимущества качественного цифрового звукоусиления. Со временем были разработаны упрощенные версии ШИМ-процессоров, названные Sony "Stream процессорами" (например, типа CXD9876R); упрощение коснулось всего, были снижены рабочие частоты, разрядность и убраны все дополнительные возможности. Звук стал попроще, вплотную приблизившись к непритязательным вкусам массовых клиентов, но все еще немного превышая стандарты.
Но в любом случае, если где-нибудь вы увидите лого "S-Master", то такой аппарат должен давать звук более высокого качества нежели средний уровень.
Второй компанией вкладывавшей деньги в технологии цифрового звукоусиления была Texas Instruments. Эта больше компонентная компания и поэтому у нее значительно более скромные успехи в этой области. TI приходилось покупать компании, которые имели больший опыт работы со звукоусилением, и кое каких результатов достичь удалось, но были и крупные провалы, как, например, с широко распиаренным чипом SRC4194 асинхронного преобразователя частоты семплирования (Asynchronous Sample Rate Converter), который "мертвил" звук и поэтому оказался неподходящим для качественных аудиосистем.
Компания TI разработала свои версии чипов для цифрового звукоусиления (семейство TAS5ххх), но первые поколения оказались неконкурентноспособны еще и потому, что почти никто из крупных производителей аппаратуры кроме Sony не захотел развивать качественное цифровое звукоусиление, т.к. ожидаемого бума так и не дождались. Sony сама делала аппаратуру и могла применять свои чипы, а TI зависел от других, и его продукция подвисла. Да и по качеству звука, разработки TI оказались заметно жиже чипов Sony. Мне чипы TI в ресиверах не попадались, хотя я никаких особых изысканий на этот счет не проводил. Есть сведения, что новые разработки TI в этой области оказались более востребованными, но возможно, что это просто результат хорошей работы менеджеров TI.
Еще раз повторюсь, что для того, чтобы D-усилитель мог полностью реализовать свои возможности по качеству, ему надо подать звук в цифровом виде (а значит реализовать усилитель на чем-нибудь похожем на ШИМ-процессор). Если в конкретном аппарате на пути сигнала стоит ЦАП и усилитель (а это может быть и не только D-усилитель) получает сигнал с его выхода, то никакого качественного прорыва ожидать не стоит. Такие устройства дают достаточно качественный для домашнего кинотеатра звук и не более того. Для прослушивания музыки придется приобретать дополнительное оборудование, чаще всего стерео. Это более чем устраивает промышленность, а потребителя сознательно не знакомят с возможными альтернативами. Да и зачем, в нашу эпоху уже вывелась порода людей, которые за качественный звук принимают писк из наушничков или попукивание из компьютерных колоночек. И имя им — легион. А как раз настоящий качественный звук и стал маргинальным явлением.
В этой связи Yamaha MX-A5000 вполне устроит 99,9% потребителей.

Увы. Это в Ереване надо искать. Нужно отправить в архив предприятия запрос о справке, по почте, заказным письмом с уведомлением о вручении или, если предприятие ликвидировано, в другие архивы (лучше сразу во все известные в Ереване), куда закрывающееся предприятие обязано сдать свой архив. В России найти нужный архив можно по головной организации, которой подчинялось ликвидированное предприятие, а в Армении я не знаю, как это организовано. В России на письменные запросы в архив принято отвечать, но сроки очень большие, обычно несколько месяцев и типовой ответ: "Никаких документов не обнаружено" .

Дисковый медиаплеер.