Плата конвейера для работы с «мультибитными» микросхемами ЦАП

[Turbo_man]

Давно планировал создать отдельную ветку для этого отдельного направления своих устройств. И вот своё обещание выполняю, поскольку устройство закончено.

См. фото универсальной платы конвейера.



Заинтересованные вегалабовцы, конечно, уже в курсе о чём идёт речь, а остальным немного поясню.

Каждая микросхема «мультибитного» ЦАП имеет свои ограничения по максимальной частоте Ц-А преобразования. Как правило, это не более 8…16Fs (за Fs принято принимать стандартную частоту 44,1 или 48 кГц), полученные в цифровом фильтре (ЦФ) типа SM5847AF например.
Таким образом, пределом по частоте для них будет 352…768кГц (для разных микросхем ЦАП разная предельная частота преобразования). Хотя на практике TDA1541A прекрасно работает и на 768кГц (16х), а PCM1702P на 1536кГц (32х). Правда это не документировано и не гарантируются качественные характеристики.

Так вот, чтобы обойти эти ограничения и получить МНОГО больше, можно включить N штук (2…16) в режиме конвейера, когда они работают одновременно со сдвигом во времени в рамках одного периода частоты преобразования. Суммарный результат при этом получается в N раз более быстродействующим.
Интересно это в первую очередь тем пользователям, которые таким образом хотят снизить требования или практически исключить восстанавливающий ФНЧ после ИУ преобразователя.

Что ОЧЕНЬ позитивно сказывается на пространственных характеристиках получающегося "саунд-стейджа" фонограммы. Локализация мнимых источников звука (КИЗов) получается просто ошеломляющей. Такого не удавалось получить ни от одного другого ЦАП-а.

А поскольку при этом складываются аналоговые сигналы с выходов микросхем ЦАП с жёсткими временными сдвигами, то попутно и получить AFIR (или гребенчатый фильтр), подавляющий нежелательные остаточные продукты преобразования цифровых фильтров (ЦФ).

Кроме этого, для сторонников NOS-ЦАП-ов, в конвейере предусмотрено отключение (обход) ЦФ по желанию.

В предлагаемом устройстве дополнительно к изложенному осуществляется 16-ти кратная линейная интерполяция (ЛИ) аудио-семплов, полученных от ЦФ. То есть мы получаем итоговую скорость аудио-потока 8 (ЦФ) х 16 (ЛИ) = 128Fs. А уже этот скоростной поток мы распределяем на 8 потоков по 16Fs (или 8Fs для TDA1541(A) - переключается управляющим сигналом), с которым легко и непринуждённо справляется каждая микросхема ЦАП в конвейере. Всё изложенное справедливо для каждого исходного левого (ЛК) и правого (ПК) каналов.

Таким образом, к предлагаемой плате конвейера можно подключить до 2 по 8 микросхем «мультибитных» ЦАП-ов.
Для удобства пользователя и обеспечения гибкости использования на плате предусмотрено место для ЦФ SM5847AF (точнее там их 2, но 1 теперь не используется и был предусмотрен для экспериментов) и PLL формирователя 768Fs для неё. А также стабилизатор +5В для питания платы изолятора USB.

Существует несколько вариантов прошивки ПЛИС, специализированных для разных типов применяемых микросхем ЦАП (пока доступны для PCM1702P, TDA1541(A) и AD1862N (общая с PCM63ми). Скоро будут готово и для PCM58P, AD1865, PCM1704U). Варианта сразу для нескольких типов ЦАП не планируется. Менять прошивку можно будет дополнительно, если планы пользователя поменяются.

Теперь описание разъёмов устройства:
Х1 – вход управления режимами платы конвейера (8 управляющих сигналов).
Х2 – вход аудио-потока I2S до 384кГц от платы ФИФО или иного цифрового аудио-источника. А также входы 2х управляющих сигналов и выход +5В для питания изолятора USB.
Х3…Х6 – выходы 2 по 8 (суммарно 16) аудио-потоков для подачи на 16 моно-микросхем ЦАП (или 8 стерео типа TDA1541(A)). На каждом разъёме по 4 потока.
Х7 – вход питания платки генов 1024Fs. (+7…12В примерно 30…50 мА). Гальванически развязанный и стабилизированный.
Х8 – вход питания остальной цифровой части конвейера, включающий основную ПЛИС и PLL и стаб +5В для USB. (+7…9В примерно 70…100 мА). Гальванически развязанный и стабилизированный.

Подробное описание контактов каждого разъёма следует…



Привожу фото для иллюстрации возможного применения конвейера, управляющего 2мя платами NOS ЦАП на 8 шт. PCM1702P суммарно.

[dortonyan]

Всё проще. К положительному +0.5, а к отрицательному +0.499(9). Т.е. на единичку младшего разряда меньше.

Да, это я уже догадался.

Больше напрягает обработка переноса и возможный клип после.

Проверка на переполнение в любом случае должна быть. У меня в проекте ЦФ просто шина данных расширена на 1бит, а переполнение проверяется однократно на выдаче готового слова после шейпинга и всех округлений.
По мне так больше неудобств от симметричного округления, т.к. нужно анализировать знак округляемого значения, причем отдельно для каждого канала, что усложняет логику. А суммировать 0,5 можно даже заранее, до того как будет получено округляемое значение, что гораздо удобнее.

[tomtit]

В своём самом первом КИХ я так и делал, инициализировал аккумулятор дизерингом, смещённым на +0.5.
Потом считал свёртку и выплёвывал обрезанный результат.
Но если всё влезает в дешёвую FPGA с большим запасом, то в чём смысл экономии на спичках?

[Михаил45]

Владимир, подключил твой конвейер с РСМ1702 к BBB rev.C. По инструкции накатил последний дебиан для бигля и потом ядро с ботиком - играет "из коробки", тактируется от конвейера, напрямую пока, без изолятора(может и не надо). Звук практически не изменился, как был при аманерке в слейве. Минусы - процессор слабоват для конвертации дсд-рсм, хорошо , что файлов таких немного, свисток подбирать надо, не все поддерживаются, но можно кросскомпилировать любой, если припрет.
В общем, что бы златоухие не говорили, usb источник не портит нифига, если не гуано.

[Turbo_man]

Молодец.
Я и не сомневался в тебе. Нужно бы и мне свой Бигль запустить как-нибудь.
Изоляторы наверно лучше поставить, от греха подальше как говорится. Но это нужно делать платку самому или брать готовую у Анатолия из Киева, если он ещё торгует ими.
Или взять нашу платку для XMOS без самого болгарского модуля. Но я не проверял, конечно такой вариант. Может не заработать, т.к. возможно нужно формировать Биглю LRCK и BCLK. Или ошибаюсь? Как сейчас Бигль у тебя получает эти сигналы или он сам их формирует? Если сам, то наш изолятор сгодится.

[Михаил45]

Бигль только тактируется mclk из конвейера, на выход дает i2s.

[Turbo_man]

Ну тогда

наш изолятор сгодится.

[Михаил45]

Мерси, их есть у меня разных.

[PaoloPi]

Здравствуйте уважаемые, поправьте, если не прав, я не так глубоко в теме. Насколько применим этот конвейер для организации цифровых фильтров-кроссоверов?
Есть два Soekris, у них внутри есть возможность загружать разные цифровые фильтры. Какое то время назад их производитель планировал добавить в новые версии цапа возможность синхронизации плат нескольких плат, чтобы, работающие одновременно в бутерброде разные платы были настроены на разные частотные диапазоны. Или ваш конвейер такое не позволяет?



CUSTOM FILTERS AND DIGITAL CROSSOVER

I think the ability for user-defined custom digital filters is a BIG feature for this DAC. In addition to the traditional DAC filters, one can load filters that implement crossover functions.

One of my frustrations with the ESS DAC is that I have not been able to take advantage of the custom filter facility. I am able to program everything else, except for the custom filters. Even though some claim that this feature works fine, I have not encountered any diy implementation and only one or two commercial implementations. Whether due to my own ignorance or to other factors (such as lacking documentation), fact is that there are no publicly disclosed diy successes of having implemented custom filters in the ESS DACs.

With crossover filters, there is finally a BIT PERFECT high quality DAC + digital crossover solution. More specifically, current digital crossovers if used with an external DAC of choice would add additional A/D or D/A conversions plus asynchronous sample rate conversion. Imagine a more “straight wire” implementation.

*****

First firmware release will NOT support digital crossovers, although there will be 14 available biquads, already tested in order to support de-emphasis on SPDIF inputs. As somebody already noted, there is issue of syncronization…. I have a couple of ideas how to connect multiple boards together, but I don’t have time to implement and test before shipping the first batch. But as I already said, all firmware on the board is upgradable though a std PC serial port, I will implement it soon as my big speakers are already designed for electronic crossover use….

[Turbo_man]

Не понимаю каким боком. Изучайте вопрос глубже.

[PaoloPi]

Не понимаю каким боком. Изучайте вопрос глубже.

результат должен быть значительно лучше, чем сдвигать во времени цапы с одинаковыми частотами на выходе. До этого момента никто никогда кроссоверы не сдвигал, хотя они по определению выводят разный частотный диапазон т.е. сдвиг там изначально необходим.

[Alex]

До этого момента никто никогда кроссоверы не сдвигал, хотя они по определению выводят разный частотный диапазон т.е. сдвиг там изначально необходим.

Зачем?

[PaoloPi]

Зачем?

Вы когда АЧХ новых колонок подбираете, не замечали что иногда горбы растут не там, где меняете значения? И из за этого идеальных кроссоверов в мире не существует, портят резонансы в неудобных местах. А если сместить во времени - резонансы автоматом исчезают, и настроить АЧХ близкую к идеальной вполне реальная задача. Может я и ошибаюсь - но не ошибается тот, кто ничего не делает.

[VladimirV]

Может я и ошибаюсь - но не ошибается тот, кто ничего не делает.

Не, Вы не ошибаетесь. Вы - произвольно фантазируете комбинируя термины и не задумываясь об их значении.
В результате получаются комбинации, не то что неправильные, а вообще не имеющие никакого смысла - ни правильного, ни неправильного.

[Alex]

А если сместить во времени - резонансы автоматом исчезают,

"Сместить во времени ЧТО"? Моменты преобразования в разных каналах? На "горбы" это не повлияет", посколку в каждом канале выборки будут свои, сдвинутые относительно выборок других каналов.
В данной конструкции сдвиг делается совсем для другого - для увеличения виртуальной кратности оверсемлинга.

Может я и ошибаюсь - но не ошибается тот, кто ничего не делает.

Делайте, кто-ж Вам мешает. Желательно потом сравнить результаты со свдигом и без.

[Denisius]

Не, Вы не ошибаетесь. Вы - произвольно фантазируете комбинируя термины и не задумываясь об их значении.
В результате получаются комбинации, не то что неправильные, а вообще не имеющие никакого смысла - ни правильного, ни неправильного.

ЭТО ПЯТЬ

[Turbo_man]

Спасибо за информацию. Я вспомнил вашу тему про цап на 2х параллельниках меньшей разрядности. В целом интересно. Даже думал что-то позаимствовать и повторить частично, но в качестве цап-а взять двухканальный 18-битник PCM1700. Они дешёвые, как раз для опытов.

Поскольку удалось заменить FPGA на моей макетке, то могу снова влиться в ряды мучителей CycloneIV.
Посмотрел схему на Nakamichi MB-1S и CDP-2. Там они из 2-х 18-битных половинок ЦАП-а PCM1700P делают моно "псевдо 20-битный" цап. Хочу попробовать аналогичное. Какие противопоказания будут?
Интересно, что старшие разряды не подстраиваются, хотя такая возможность имеется.



---------- Сообщение добавлено 13:52 ---------- Предыдущее сообщение было 13:37 ----------

Суммируются 2 аналоговых сигнала в соотношении 1:16. Отчего так сделано? Почему не 1:4? Добавляем ведь 2 бита.

[dortonyan]

Посмотрел схему на Nakamichi MB-1S и CDP-2. Там они из 2-х 18-битных половинок ЦАП-а делают псевдо 20-битный цап. Хочу попробовать агалогичное. Какие противопоказания будут?

Вообще за большой разрядностью гнаться смысла нет. Лучше сообразить калибровку и деглитчер.
Просто в стародавние времена цифровая обработка сигналов стоила дорого, проще и дешевле было нарастить разрядность ЦАП. Сейчас наоборот.
Единственное что для калибровки удобнее иметь младшие биты поточнее:
Если калибровать один 18 битный ЦАП, то придется "ровнять" все биты.
А если строить композитную схему и для младших бит брать отдельный 18 битный ЦАП, то в нем можно использовать, скажем, только старшие 14..15 бит, которые калибровать не нужно. Останется только откалибровать старшие биты в основном ЦАПе.

---------- Сообщение добавлено 14:05 ---------- Предыдущее сообщение было 14:04 ----------

Суммируются 2 аналоговых сигнала в соотношении 1:16. Отчего так сделано? Почему не 1:4? Добавляем ведь 2 бита.

Видимо по причине, описанной выше - для лучшей точности младших бит.
Хотя есть и более весомая причина - чем выше соотношение, тем ниже требования к точности и дрейфу суммирующих резисторов. Это наверное основной фактор в данном случае.

[Turbo_man]

dortonyan, Алексей, так какой сигнал надо подавать на вспомогательный 18-битный цап? Сигнал в 16 раз увеличенный, чтобы потом в аналоге сложить 1:16?

---------- Сообщение добавлено 14:11 ---------- Предыдущее сообщение было 14:10 ----------

А если строить композитную схему и для младших бит брать отдельный 18 битный ЦАП, то в нем можно использовать, скажем, только старшие 14..15 бит

Это не понял.
Что в основной цап, и что во вспомогательный? Оба 18-битные. Исходник после ЦФ 20...24 бит.

[dortonyan]

так какой сигнал надо подавать на вспомогательный 18-битный цап? Сигнал в 16 раз увеличенный, чтобы потом в аналоге сложить 1:16?

На вспомогательный ЦАП подаются "обрезанные" данные. Без старших 4-х бит.
Т.е. это эквивалентно сдвигу слова данных влево на 4 бита, что эквивалентно умножению на 16. Поэтому нужен делитель, чтобы в 16 раз ослабить.

---------- Сообщение добавлено 14:17 ---------- Предыдущее сообщение было 14:14 ----------

Это не понял.
Что в основной цап, и что во вспомогательный? Оба 18-битные. Исходник после ЦФ 20...24 бит.

Основной ЦАП - это условно тот, который преобразует старшие биты. В него грузятся только старшие 4 бита из 20 (младшие биты всегда нули).
Остальные 16 бит грузятся во вспомогательный ЦАП.
Но вес 16 бита в 16 раз меньше веса 20-го бита. А опорные токи в ЦАПах одинаковые. Поэтому чтобы привести веса битов в правильное соотношение используется делитель.

[Turbo_man]

Спасибо, теперь понятно.
На схеме Nakamichi есть ещё отдельный кусочек с LSB, который дополнительно делят на 2500 резиками и подмешивают через 100кОм к выходному току основного цап-а.
Нафига?

---------- Сообщение добавлено 14:31 ---------- Предыдущее сообщение было 14:24 ----------

Без старших 4-х бит.

Но с сохранением знака, наверно.