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.

[Turbo_man]

Описание контактов всех разъёмов платы оформил в отдельном файле.

Дополнение от 09.07.2018
В окончательной версии изменены назначения контактов.

[eclipsevl]

когда они работают одновременно со сдвигом во времени в рамках одного периода частоты

Как Вы решаете задачу выравнивания клоков ЦАП относительно друг друга?

16-ти кратная линейная интерполяция (ЛИ) аудио-семплов, полученных от ЦФ

Ой...

[Turbo_man]

Как Вы решаете задачу выравнивания клоков ЦАП относительно друг друга?

Клок один и тот же, с вырезанными в нужном месте битклоками (для 1702х остаётся 20+4=24 из 32-клочного фрейма, сдвиг CLOCK и LE через каждые 4 битклока, а для 1541х битклоки одинаковые для всех микросхем без пропусков в 16-клочном фрейме, сдвиг LE через каждые 2 битклока). Или вопрос был о другом?

[eclipsevl]

Клок один и тот же, с вырезанными в нужном месте битклоками (для 1702х остаётся 20+4=24 из 32-клочного фрейма, сдвиг CLOCK и LE через каждые 4 битклока, а для 1541х битклоки одинаковые для всех микросхем без пропусков в 16-клочном фрейме, сдвиг LE через каждые 2 битклока). Или вопрос был о другом?

После синтеза RTL кода элементы из нетлиста должны быть расположены на кристалле ПЛИС - операция Place and Route (PnR). На этом этапе происходит не только размещение на кристалле, но и временной анализ схемы (Static Timing Analisys, STA). С помощью констрейнов задержки выравниваются таким образом, чтобы удовлетворить всем заданным ограничениям, если это возможно.

Добиться идеальных (и независящих от никаких внешних условий) временных соотношений между сигналами на выходе ПЛИС - задача невозможная, в лучшем случае разброс будет составлять ~10 нс при таком конструктиве.
Interleaving DAC/ADC существуют, но формирование многофазных тактовых сигналов даже в пределах одного кристалла - задача далеко нетривиальная, решаемая как специальными схемотехническими, так и топологическими методами.

В данном случае, на частотах в десятки кГц, возможно, это не большая проблема. Хотя уважаемые тут господа выбирают генераторы с суб-пикосекундным IPJ для аудио
Оценки уменьшения динамического диапазона я не увидел. Но даже шумы, вносимые несихронностью конвертеров - далеко не главная проблема.

Применение линейной интерполяции для апсемплинга говорит о том, что Вы не знакомы с цифровой обработкой сигналов. Попробуйте хотя бы на бумажке методом линейной интерполяции сделать из двух отсчетов fs/2 сигнала синусоиду. Получите треугольник. А если говорить про спектральную область - вместо одной гармоники получите набор нечетных гармоник. А лучше было бы, конечно, промоделировать в matlab/octave.

[Turbo_man]

Вы не знакомы с цифровой обработкой сигналов.

А вы невнимательно читаете. После аппаратного ЦФ этой ЛИ совершенно достаточно для получения нужного результата. Впрочем, вам никто не запрещает сделать лучше.

Получите треугольник.

Он и есть в режиме NOS (да и то только выше 13кГц), а в режиме с ЦФ отличный синус. Но видимо, вы не стали слушать такой сигнал испугавшись его. Я тоже его сперва боялся. Теперь нет. И вам советую не бояться.
Зато получается идеальный меандр (без звона), недоступный традиционным "правильным" ЦФ.

Offтопик:
Не осциллографом же вы слушаете музыку. Извините за банальности.

---------- Сообщение добавлено 22:43 ---------- Предыдущее сообщение было 22:30 ----------

разброс будет составлять ~10 нс при таком конструктиве.

Джиттер тест не выявил никаких явных проблем в суммарном сигнале. Я вас правильно понял?



---------- Сообщение добавлено 22:53 ---------- Предыдущее сообщение было 22:43 ----------

шумы, вносимые несихронностью конвертеров - далеко не главная проблема.

И видимо несущественная, если локализация КИЗ улучшается. Шлейфы нужно сделать покороче, не спорю. От этого хуже уж точно не станет.
Может быть, когда-нибудь руки дойдут и до коаксиальных линий связи.

[Игорь Гапонов]

Собственно, полиномиальная первого и выше порядков (линейная, квадратичная сплайн-кубическая и т.д.) сопровождаются нелинейной ошибкой в отличии от полиномиальной нулевого порядка ("nos" или удержание отсчёта - разновидности такой интерполяции), которая сопровождается только линейной ошибкой (однако, требующую довольно не простую линейную коррекцию, если "идти на принцип"). Конечно, надо слушать реалии, т.к. просто напросто можно подобрать полином под конкретный сигнал, что осциллограф будет в восторге (или наоборот), но реальные треки слушать будет не возможно (и наоборот).

Думаю, что и проблему аппаратного джиттера в плисках коллега eclipsev слишком драматизирует. Во всяком случае простейшие регенераторы фронтов на D-триггерах в отдельных корпусах (т.н. реклокеры) с успехом с ней борются.

[Turbo_man]

простейшие регенераторы фронтов на D-триггерах в отдельных корпусах (т.н. реклокеры) с успехом с ней борются.

Может и попробую у себя поставить Potato, но скорее из любопытства.
Или маст хэв?

---------- Сообщение добавлено 23:27 ---------- Предыдущее сообщение было 23:20 ----------

полиномиальной нулевого порядка ("nos" или удержание отсчёта - разновидности такой интерполяции), которая сопровождается только линейной ошибкой (однако, требующую довольно не простую линейную коррекцию, если "идти на принцип").

Может в ЛС подробнее расскажете?

[Игорь Гапонов]

Может и попробую у себя поставить Potato, но скорее из любопытства.
Или маст хэв?

...

Про картошку не в курсе. Но быстрый D-триггер (отдельный корпус с развязкой по питанию на каждую линию цифроинтерфейса ЦАПов) клоком от основного гена сетки я бы добавил (после гальваноразвязки). На ряду с гальваноразвязкой это уже мастхев у нас, у бразильцев.

[Андрей Никитин]

...устройство закончено...

- Поздравляю!

[energetik]

Но быстрый D-триггер (отдельный корпус с развязкой по питанию на каждую линию цифроинтерфейса ЦАПов) клоком от основного гена сетки я бы добавил (после гальваноразвязки). На ряду с гальваноразвязкой это уже мастхев у нас, у бразильцев.

Аналогично - ставлю по возможности везде (начиная с DACore).

[Turbo_man]

быстрый D-триггер (отдельный корпус с развязкой по питанию на каждую линию цифроинтерфейса ЦАПов) клоком от основного гена сетки я бы добавил (после гальваноразвязки).

Такого совмещённого (2в1) не существует? Чтобы изолятор с быстрым триггером.

[energetik]

Такого совмещённого (2в1) не существует? Чтобы изолятор с быстрым триггером.

оно и не нужно - задачи разные. Изолятор(гальваноразвязка) должен быть как можно дальше от ЦАПа, а реклокер(д триггер) наоборот - как можно ближе.

[Turbo_man]

- Поздравляю!

Спасибо.

Offтопик:
Пишите в ЛС, какие вам нужны. Я про своё обещание помню.

---------- Сообщение добавлено 17.01.2018 в 00:06 ---------- Предыдущее сообщение было 16.01.2018 в 23:59 ----------

Аналогично - ставлю по возможности везде.

При 16 ЦАП-ах задача не из простых.

оно и не нужно - задачи разные.

Да. Поторопился.

[eclipsevl]

А вы невнимательно читаете. После аппаратного ЦФ этой ЛИ совершенно достаточно для получения нужного результата.

Ну если нужный результат это получение нелинейности - тогда да, конечно.

Впрочем, вам никто не запрещает сделать лучше.

Вы очень банальны.

Он и есть в режиме NOS

В этом случае не вносится новых спектральных компонент в исходный сигнал.

Думаю, что и проблему аппаратного джиттера в плисках коллега eclipsev слишком драматизирует. Во всяком случае простейшие регенераторы фронтов на D-триггерах в отдельных корпусах (т.н. реклокеры) с успехом с ней борются.

Я говорил не про джиттер ПЛИС, хотя и он имеет место быть, а постоянную фазовую ошибку из-за разницы длины путей. Это можно увидеть при моделировании проекта ПЛИС с учетом размещения проекта на кристалле. И тем не менее, было сказано:

В данном случае, на частотах в десятки кГц, возможно, это не большая проблема.
<...>

Про пересихронизацию непосредственно перед ЦАП мысли верные, но этого в демонстрируемом проекте не показано.

Зато получается идеальный меандр (без звона), недоступный традиционным "правильным" ЦФ.

Тут я снова вынужден намекнуть на изучение основ ЦОС: спектр цифрового сигнала, спектр меандра, интерполяция.

Джиттер тест не выявил никаких явных проблем в суммарном сигнале. Я вас правильно понял?

Какое окно? Частота тона? Что в сравнении с работой одного ЦАП?
По этой картинке нельзя сделать никаких выводов.

[Игорь Гапонов]

Я говорил не про джиттер ПЛИС, хотя и он имеет место быть, а постоянную фазовую ошибку из-за разницы длины путей. Это можно увидеть при моделировании проекта ПЛИС с учетом размещения проекта на кристалле. И тем не менее, было сказано:



.

т.е. про задержку распространения? (ну, ещё и латенси надо вспомнить для полного счастья). Или Вы думаете, что ТС настолько неопытен, что не сумеет догадаться выровнять её повторителями?

Turbo_man

Я бы рекомендовал в проекте предусмотреть оперативное переключение порядка полиномиальной интерполяции (типа, между первым и нулевым) . Если, конечно, это возможно и не нарушает главной фишки афир-принципа.

[eclipsevl]

т.е. про задержку распространения? (ну, ещё и латенси надо вспомнить для полного счастья).

Про разницу в этих задержках, на латенси вообще пофиг.
Опять же, на этих частотах - фиг с ним.

Или Вы думаете, что ТС настолько неопытен, что не сумеет догадаться выровнять её повторителями?

Расстановкой буферов в проекте эту задачу не решить, т.к. на этапе синтеза схема будет упрощена. Можно поставить их принудительно, указав конкретную ячейку ПЛИС для использования при PnR. Что касается проекта ТС - не знаю, не видел. Отсюда и возник мой самый первый вопрос в теме.

[Audiomaniac]

Offтопик:
Вот это мощно!
Уходить с мультибита никуда пока (!) не хочется, вся д-с, которую приносили послушать, в сравнении звучит как через плотную штору. Для фона годится, но музыкально-выразительный эффект вообще не тот!

[Ромыч]

Вот это мощно!

Offтопик:
Ну да, останется только найти 8 шт микросхем ЦАП и сделать на них плату
Послушать бы этот AFIR в сравнении с традиционным подходом, стоит ли оно вообще свеч или нет.

[Latvian]

Послушать бы этот AFIR в сравнении с традиционным подходом, стоит ли оно вообще свеч или нет.

На 8 ЦАПах в параллель с развязкой по питанию, да.