ЦАПы и OEM ЦАпы Soekris R2R 1021/1121/DAC 2541/DAC1541

VitB · 18.Май.2017 16:38:31

Решил описать свой опыт и впечатления от данного ЦАП, раз уж на форуме начали упоминать другие изделия данного производителя.

Начнем с начала.
С некоторых пор мне стала особенно интересна тема DIY. Причина проста - надоело покупать коробочки, которые приносят радость очень ограниченное время + естественное любопытство что может предложить этот подход.
В январе этого года сделал первый ЦАП на базе кита DIYinHK на AKM4490 и был удивлен в принципе неплохим результатом (особенно учитывая затраченные средства). Захотелось глубже разобраться в предмете.
Выбрал указанный в теме ЦАП. Причины просты:

европейский производитель,
продукт существует с 2015 года и все детские ошибки устранены (текущая ревизия платы - 4),
проект неплохо документирован, разработчик (Soren) дает много комментариев на форуме diyAudio.com
и, конечно, R2R, который переживает ренессанс в последние годы (судя по количеству новых продуктов)
Дополнительно было очень интересно разобраться в построении FIR фильтров в ЦАП (dam1021 позволяет загружать пользовательские фильтры).

Путь обработки данных прост:

входной поток через гальваническую развязку поступает на SPARTAN. Там осуществляется буферизация и реклокинг. Далее первый апсемплинг (x8) до частоты 352 или 384 кГц.
Далее первый интерполирующий FIR фильр.
Далее цифровая регулировка громкости (данные внутри DAC обрабатываются в 28 битах).
Далее второй x8 апсемплинг и второй интерполирующий фильтр FIR (до 2.8Мгц).
Далее IIR фильтр, устраняющий постоянную составляющую.
Итог - на R2R, построенную как sign-magnitude. ЦАП работает как zero-hold DAC.

На плате реализованы выходы - прямой с R2R лесницы, буферизированные RCA и XLR.
Входы - i2C, SPDIF (оптический, коаксиальный или AES).

В моем случае управляется все Ардуино (громкость, переключение входов, фильтры …).

VitB · 18.Май.2017 16:42:42

Фото готового продукта

Kirillizza · 18.Май.2017 16:49:53

И как в сравнении с Аураликом? Это же Вега на фото?

VitB · 18.Май.2017 16:50:43

В ближайшие дни планирую:

описать впечатление от прослушивания и сравнить с основным DAC Auralic Vega
описать свой опыт по фильтрам для этого ЦАП.
Ответить на вопросы (если будут, конечно).

Если очень коротко - полученный результат очень радует. Речь не идет о том, что dam1021 “порвал” Vega. У них немного разный характер. Что то больше нравится в dam1021. Особенно при использовании некоторых фильтров.

Сейчас реализован только вход на USB на основе XMOS 216 (сравнительно новый чип), выход я использую только напрямую с R2R.
Дополнительно встроил усилитель для наушников на основе TPA6120A2 (на каждый канал).

VitB · 18.Май.2017 17:04:33

Да, на фото Вега.
Сейчас смогу только коротко описать разницу, это очень непростая тема.

На DSD - полное превосходство Vega. Это объясняется конструктивные особенностями цапов от Soekris.
Если коротко - Сорен сделал DSD под большим давлением общественности. Обработка там происходит учитывая архитектуру ЦАП - сначала децимация (уменьшение частоты дискретизации путем отброса ненужных отсчетов) до частоты 352 КГц, далее стандартный путь сигнала (описан выше). У меня есть ощущения, что результат можно улучшить переделав FIR1 (Сорен признавался, что не является экспертом и фильтры для цапа были первыми его фильтрами), но я пока слишком увлекся PCM.

На PCM - все уже не так однозначно. Если говорить прямо - на некоторых фильтрах (об этом позднее) характер подачи ЦАП Soekris мне нравиться больше (более естественные тембры скрипичных инструментов, например). Особенно это заметно на классической музыке.

Kirillizza · 18.Май.2017 18:04:22

Интересно. Жду расширенного отзыва.

VitB · 19.Май.2017 13:12:40

Небольшая вводная по FIR фильтрам. Это будет необходимо для сравнения восприятия “звучания” фильтров с их характеристиками.

Зачем они в ЦАП? Любой цап с апсемплингом добавляет недостающие отсчеты и делает их нулевыми.
Т.е. если входной сигнал был равен 1, то при апсемплинге x8 выходной будет 1 0 0 0 0 0 0 0.
Это во временной области.

В частотной произойдут следующие изменения - исходный спектр будет смещен и размножен (см ниже).

Возникнет задача убрать все частоты выше половины частоты начальной дискретизации. Эту задачу решает интерполирующий фильтр (FIR). Можно и не убирать эти частоты, просто это приведет к росту искажений ЦАП.

FIR фильтр представляет собой набор чисел (вектор). Свертка FIR фильтра с исходным сигналом и приводит к необходимым изменениям в частотной области.

Идеальный FIR НЧ - ступенька (пропускает все до выбранной частоты, убирает в 0 все остальное, граница перехода бесконечно узкая). Идеальный FIR содержит бесконечное число чисел, что приводит к необходимости создания неидеальных фильтров.

Фильтр конечной длины характеризуется следующими показателями (это закладывается при проектировании фильтра)

уровень пульсаций в полосе пропускания (насколько полоса пропускания отличается от прямой)
уровень атеньюации (подавления) в полосе подавления (насколько снижаем сигнал после фильтра)
ширина зоны перехода (чем шире, тем раньше начинается атеньюация в полосе пропускания).
длина фильтра (количество коэффициентов фильтра).

Все эти показатели связаны - т.е. вы не можете сделать короткий фильтр с очень маленькими пульсациями, узкой зоной перехода и высоким уровне атеньюации.

Уровень пульсаций более 0,01 - 0,001 dB считается заметным (приводит к тембральной окрасе).
Уровень атеньюации > 100 - 120 dB (иначе могут ухудшиться искажения DAC).
Ширина зоны пропускания чем уже тем лучше (теоретически). Хотя ее уменьшение приводит к росту пре- и после- звона, например.

Пример фильтра со 193 коэффициентами (низкий пре- и после- звон, широкая полоса перехода, сравнительно низкий уровень атеньюации). Первая картинка - импульный отклик, вторая - частотная характеристика)

Пример фильтра с 1919 коэффициентами (значительный пре- и после- звон, отличная атеньюация, узкая зона перехода)

Какие показатели фильтров нужно оптимизировать и насколько - неясно. Чему отдавать приоритет - неясно.
Поэтому возникает очень интересная задача - какой фильтр оптимален.
Ограничение здесь - длина фильтра (ограничивается только производительностью и доступной памятью)

В Soekris DAC максимальное количество коэффициентов FIR1 = 2023, FIR2 = 127.
Это очень много для ЦАП (обычные значения - 32, 64 …). Это приводит к тому, что, например, любой результат работы SOX Resampler может быть без потерь перенесен в DAC.

Для создания фильтров можно использовать SOX, RePhase, Octave и.т.д.
Я использую Matlab. Все характеристики и графики буду выводить далее из него (приведенные выше сделаны в Octave).

pm325 · 19.Май.2017 14:23:51

@Victorvvo некоторое время назад тоже занимался подбором оптимальных фильтров для Soekris.

VitB · 19.Май.2017 14:34:48

Что выбрали? Фильтры Paul (spzzzzkt)?

Мне пока не удается сделать что то похожее на его спецификации.

EQHQ - 0-19.00Khz ±0.00000005dB (pass band ripple), 22.50Khz -174.26dB (stopband attenuation). Matlab отказывается верить в возможность этого:grinning:

pm325 · 19.Май.2017 14:38:01

Думаю, стоит напрямую связаться с Виктором. Сайт http://easytubeamp.com/sample-page/

dmitre · 19.Май.2017 19:05:56

@Victorvvo и тут вполне отвечает

Victorvvo · 19.Май.2017 20:38:44

Если коротко - то можно сказать так - детские болезни возможно и были вылечены, взрослые болезни скорее всего остались. Я работал с двумя версиями платы, на второй версии пришло глубинное осознание такого понятия, как “мазохизм”. Так вот - у меня множество недостатков, но я точно не мазохист.

VitB · 19.Май.2017 20:50:45

Виктор, конечно, не сомневаюсь в этом.
Верю.

Только можно поподробнее высказаться? Что бы ваша точка зрения стала понятна не только вам.

VitB · 20.Май.2017 10:51:07

Сравнение Auralic Vega и Soekris dam1021

Для начала несколько вводных слов, что бы мой дальнейший текст был понятен.
Я не отношу себя к “золотоухим”, у меня нет музыкального образования, на “живые” концерты и выступления хожу очень редко (пару раз в год). Сильно сомневаюсь в своей способности слышать что то выше 17 кГц.

Отлично понимаю весь субъективизм оценки и сравнения разных компонентов. Слушая привычную систему в разное время суток, с разным настроением, самочувствием итд я оцениваю ее качество по разному. С моей точки зрения это связано с психологией и восприятием человека.

Все сравнения я стараюсь проводить по следующему алгоритму:

Сначала несколько быстрых сравнений (несколько отрывков случайно выбранных композиций, принадлежащих разным жанрам) на сравниваемых системах. Далее анализ - слышу ли я разницу, могу ли я ее описать.
Если мне кажется что разница есть, то провожу слепой тест (используется 1-2 фрагмента, которые с моей точки зрения максимально отличаются звучанием на разных компонентах)
Мне проигрывают фрагменты, несколько раз, причем сообщают о смене (т.е. я не знаю какой конкретно компонент играет, но знаю какой из 2 вариантов звучит в данный момент - вариант 1 или вариант 2).
Далее мне проигрывают фрагмент и я должен определить какой компонент звучит (могут, кстати, компонент и не изменить). Если не могу определиться, то мне проигрывают фрагменты на контрасте и я должен определиться с выбором.
Аналогичный эксперимент я провожу с 1 - 2 другими людьми.
Потом мы обсуждаем наши впечатления. Если впечатления совпадают, то разницу считаю предварительно зафиксированной. Если нет, или не могу угадать - то вопрос отличий оставляю открытым.
Весь процесс занимает как правило ~ 2 часов. Дальше я сильно устаю и просто теряю интерес.

Потом - длительный тест (на несколько дней ставлю компонент в систему и использую его как основной). Если впечатления совпадают с быстрым тестом, то уверенно говорю о существовании разницы.

Далее я буду говорить только о уверенно зафиксированной разнице.

В Auralic есть настройка клока (видимо управляет точностью PLL). Я всегда использую EXACT - отличия слишком очевидны.

DSD
Здесь наиболее просто - Auralic Vega интересней. Это отмечается всеми и сразу. Вполне однозначно.
Soekris упрощает сцену в глубину (речь о воспринимаемой глубине сцены).
Дополнительно - в Auralic звуки возникают из абсолютной тишины (как бы из ниоткуда), что производит просто завораживающий эффект, то в dam1021 этого нет.

Аналогичный эффект у меня был и на Auralic:

когда я экспериментировал с апсемплингом DSD64 в DSD256 в HQPlayer. Правда там этот эффект можно было снизить, играя фильтрами.
при настройках клока Auralic Auto (правда в заметно меньшей степени).

Наблюдаемый эффект, с моей точки зрения, связан с особенностью работы Soekris dam1021 с DSD (описывал в начале темы).
Вполне возможно, что dam1021 может показать себя лучше, если поработать над FIR1 фильтром. Буду ли этим заниматься - не знаю.

DSD для меня важен - несколько моих любимых альбомов в этом формате и отказываться от него я не собираюсь.

Для полноты картины - у меня есть цап на AK4490 (стоимость платы ~ 50 USD, без питания), схема из datasheet по AKM4490 (т.е. достаточно простой).
По моему глубокому убеждению последний играет интересней Soekris. Но могу ошибаться - сравнений не проводил, описываю по памяти.

VitB · 20.Май.2017 12:24:46

PCM
Неоднозначная тема.
Все сравнения будут указаны для стоковых фильтров FIR1 и FIR2 Soekris dam1021.
По моей оценке оптимизация фильтров для DAC Soekris не меняет характер подачи. Изменяются только ньюансы (по крайней мере на прямом выходе с R2R).
Подробнее об этом немного позднее, т.к. мой основной интерес - исследование взаимосвязи характеристик фильтров и их восприятия.

Что бы точнее описать роль фильтров:

я могу их различить только на контрасте и то далеко не все.
“испытуемый” с музыкальным образованием (часто прошу его участвовать в тестах - доверяю его мнению) смог уверенно отличить только некоторые фильтры без контрастного прослушивания, но сознался, что это было на грани восприятия.
моя девушка,например, разницы между ними вообще не увидела.

Далее приведено описание только уверенно зафиксированной разницы (всеми участниками, в том числе в слепом тесте, описания наблюдаемых изменений совпадают).

Soekris dam 1021 рисует сцену более компактно. Субъективно воспринимаемая ширина сцены (слева направо) - заметно меньше Auralic Vega. Сцена в глубину тоже сжимается, но не так сильно и заметно меньше ситуации с DSD. Это касается всех музыкальных жанров.

На вокальном джазе это иногда воспринимается как позитивное изменение по сравнению с Auralic Vega (вокал как бы становиться более сфокусированным и немного вынесенным вперед). На классической музыке эффект можно описать так - вы сидите в зале дальше.

Т.е. речь идет скорее о вкусовой разнице, она заметна, но переоценивать ее не стоит.

Как можно заметить, есть некоторая аналогия с ситуацией с DSD, но в данном случае речь точно не идет об ухудшении.
В целом, при длительном прослушивании (последний этап тестирования) мне очень импонировала такая трактовка. Правда, когда я вернулся на Auralic, я получал не меньшую радость от прослушивания.

Второе замечание - изменение тембрального окраса. dam1021 более “темный” и “плотный”.
Подробнее опишу это на примерах

Alisa Weilerstein Cello Concerto in E Minor Op 85 (композитор Edward Elgar). 24 bit 48 kHz. Виолончель и скрипичная группа воспринимаются более естественно (заметная разница), эмоционально (слегка). В Auralic Vega явно больше ВЧ, из за чего в некоторые моменты (игра скрипичной группы) воспринимается мной с небольшим раздражением (присутствует оттенок ненатуральности). В этом смысле я бы предпочел dam1021. Правда фильтры на Auralic я не менял, давно остановился на Minimum Phase. Нужно будет прослушать с другими фильтрами.
Джазовый вокал (Youn Sun Nah - Same Girl, Cecile McLorin Salvant - For One to Love). 16 bit 44kHz. Soekris dam1021 - голос с более выраженными грудными нотками (слегка), в некоторых моментах немного сглажена истеричность манеры исполнения. Не понял для себя, что нравиться больше. Оба варианта слушал с удовольствием.

Именно последнее наблюдение (джазовый вокал), слегка правится фильтрами в Soekris.

В целом после прослушивания dam1021 - весьма достойно. Учитывая цену платы в ~ 250 - 350 евро (с доставкой), может рассматриваться как вариант.
Моя девушка сказала мне - “А можешь сделать, что бы Soekris звучал так же “широко”, как Veaga? Тогда было бы здорово!”

Итог.
Soekris dam 1021 не разрыватель всего и вся. Мне понравился на PCM. На DSD его использовать не буду.

Лучше ли он Vega - НЕТ, по совокупности наблюдений. Если не брать в расчет цену.
Лучше ли он AK4490 (описан ранее) - да, с моей точки зрения. Даже с учетом цены.
Что лучше VEGA бу или dam 1021 - я бы выбрал VEGA (DSD в основном).

Стоимость dam1021 (примерно)

плата ~ 350 евро с доставкой
питание ~ 130 USD с доставкой (можно дешевле, но я брал с запасом на другие проекты)
Ардуино + энкодер + ИК датчик + ИК пульт + изолятор ~ 2,5 тыс руб + удовольствие программировать интерфейс и взаимодействие с DAC.
экран 2,42 OLED - 20 USD с доставкой
корпус - по желанию. Мой ~ 1000 руб (DIY полный из остатков материалов + удовольствие изготовления этого)

Victorvvo · 21.Май.2017 09:48:08

В моем варианте предполагался условно-коммерческий проект.
С чем пришлось столкнуться -

Софт - перешивался неоднократно, в базовой поставке не работало опознавание активного входа, переключения входов, после устранения - неустойчиво работало обратное переключение в случае, если один из входов оставался активным. По фильтрам - не работало переключение между фильтрами, при выключении, снятии питания и включении через некоторое время устанавливался “набор номер 1”. В конце концов я остановился на варианте “Soft”, он был доработан и перепрошит как основной и единственный.
По схемотехнике - по известной методике доработано питание, устранены щелчки при выключении. В аналоговой части SMD конденсаторы заменены на полистирол + фольга, частота фильтра пассивного выхода понижена до 30 кГц, применен развязывающий трансформатор (600 Ом–>150 Ом, таким образом “общий” у ЦАП и у моего выходного каскада получились гальванически разделены, это пришлось сделать для уменьшения проникновения коммутационных помех.
Выходной каскад был организован на лампе 5687 + трансформатор Lundahl LL2745, выходы - балансный (XLR) и небалансный (RCA). Для сравнения были сохранены выходы и с “родного” каскада на ОУ.

В итоге со второй попытки получилась довольно таки неплохая конструкция с музыкальным, объемным звучанием в стиле “Audio Note DAC 5”, но с более полновесным, динамичным звуком.

Но - в прямом сранении с Berkeley Audio Alpha DAC - при большей выразительности, музыкальности - совершенно очевидно слышны огрехи в построении пространства и прорисовке “ткани” и тонких интонационных ньюансов.

Для себя сделал вывод - “сплясал с бубном” качественно, выразительно и с самоотдачей, но в смысле перспективы проекта -
безрезультатно.

VitB · 21.Май.2017 10:31:37

Виктор, очень признателен за развернутый ответ.

По поводу софта - в текущей версии пока ошибок не наблюдаю.
С оговорками - у меня один вход I2S. Не определился с необходимостью реализации AES и Coaxial.

Переключение между фильтрами работает. Я читал об этом баге, поэтому внимательно проверял (Ардуино подключен по серийному изолированному входу, контроль через второй вход и uManager). Конечно, при загрузке устанавливается фильтр по умолчанию (установленный через set filter uManager). Я меняю его на лету командами с Arduino.

С вашей точки зрения, стоит ли делать выходной каскад (я снимаю сигнал с R2R напрямую)?
Какие схемотехнические доработки считаете оправданными? На diyaudio.com не нашел однозначных рекомендаций (тема там сильно раздута).

Я newbie в этом вопросе, поэтому мне сложно оценивать критически предлагаемые на diyaudio.com решения.

VitB · 22.Май.2017 07:56:34

Ну теперь к главному для меня - влияние фильтров. Речь пойдет о сравнении 3 фильтров, 2-ух часто упоминаемых кастомных фильтрах и одном стоковом.

Разберем их отличия сначала с технической точки зрения. Для этого я загрузил коэффициенты фильров в Matlab и далее анализ проводил в нем.

Все фильтры линейно фазовые.

Линейный Soekris - стандартный оконный фильтр. 1975 коэффициентов.
EQHQ (Equiripple), фильтр созданный Paul (http://www.moredamfilters.info). Алгоритм - эквирипл. Один из самый эффективных алгоритмов (позволяет получить фильтр минимальной длины при заданных спецификациях, по сравнению с другими алгоритмами). 1919 коэффициентов.
Nyquist - тоже создан Paul. Очень интересный алгоритм. Единственный, сохраняющий начальные отсчеты (до апсемплинга) без изменений. 129 коэффициентов.

Общий обзор:

Сначала разберемся с полосой пропускания. Принято считать по уровню -3dB, но я сознательно выбрал -0,5dB

Худший - Nyquist, уже с 17,5 кГц идет завал до уровня -0,5db
Лучший - Equiripple. Пропускает даже больше, чем слышимый диапазон.
Soekris Linear - в принципе все очень неплохо с точки зрения passband. 19,5 kHz проходят.

Что со stopband attenuation:

Худший - Nyquist, -120 dB начиная где то с 32 kHz. Это уже опасно, теоретически. В отфильтрованном сигнале будет aliasing (появятся дополнительные частоты в диапазоне от 22,1 kHz до 32 kHz.
Лучший - Equiripple. Давит все до -170dB в диапазоне выше 22,5 kHz.
Soekris Linear - очень хорошо. - 150 dB на примерно 22,5

VitB · 22.Май.2017 08:30:38

Посмотрим на уровень искажений (ripple) в полосе пропускания.

Худший - Nyquist. Имеем 0,000015 dB
Soekris Linear - лучший. Просто практически не видно.
Equiripple. - очень низкий уровень. 0,00000003 dB

Для сравнения - FIR фильтры Auralic VEGA имею спецификацию 0,003 / 0,1 dB (что безумно много, по сравнению со всеми фильтрами выше.

По показанному выше становится понятно, что при использовании фильтров более высокого порядка, мы получаем все больший passband, attenuation и все меньший ripple. Разные алгоритмы просто с разной степенью эффективности разменивают одно на другое.

Посмотрим на импульсный отклик фильтров.

Как и ожидалось. Меньший порядок фильтра - меньший пре и после звон.

Т.к. человек воспринимает не амплитуду а мощность звука, мне стало интересно проанализировать именно этот показатель (квадрат амплитуды в логарифмической шкале).

Т.к. шумовой порог у меня ~ 45 dB а слушаю я примерно на уровне 80 - 90 dB, то я провел линию на графике, примерно соответствующую уровню шума (-40 dB от максимума сигнала).
Чем уже LSIR в месте пересечения с линией шума, тем теоретически более корректно должны передаваться динамические характеристики сигнала (резкий удар, хлопок итд.)

В фильтре NOS Soekris, например, LSIR представляет собой прямую линию на аналогичном графике.

Здесь безусловный лидер - Nyquist. Худший - Equiripple, Soekris Linear где то между, ближе к Equiripple.

По итогам обзора:
Nyquist, видимо, должен отличаться лучшей динамикой, хотя может добавить “грязи” на ВЧ.
Equiripple - видимо лучший тональный баланс, возможно с худшей динамикой.

Что же реально можно услышать? Есть ли вообще разница между этими фильтрами?
Вопрос актуален, т.к. в коммерческих DAC показатели фильтров заметно хуже по спецификациям. Не случайно же они это делают.

Об этом (что удастся услышать) чуть позже.

alecm · 22.Май.2017 09:30:21

Мне больше всего понравился фильтр EQHQ_lpbr_b4.
Наиболее ясное и тонально ровное звучание.
Правда у меня сокрис 1021 сильно измененный по сравнению со стоком.