Zaprezentowany na konferencji AES 2023 w Nowym Jorku, nowy przetwornik cyfrowo-analogowy Imersiv D1 jest pierwszym produktem nowej marki stworzonej przez założyciela Millennia Johna La Grou i pierwszym, który wprowadził na rynek swoje podejście do technologii wielościeżkowej technologia. W wyniku wieloletnich badań i rozwoju, jego potrójnie opatentowany przetwornik cyfrowo-analogowy Imersiv D1 wykorzystuje architekturę wielościeżkową, aby osiągnąć przełomowy zakres dynamiki wynoszący 162 dB, szerokopasmowy, nieważony.
Jak to ujął John La Grou, technologia dźwięku wielościeżkowego to zupełnie nowy sposób myślenia o dźwięku. Na rynku dostępne są już mikrofony, przedwzmacniacze i przetworniki A/D, które wykorzystują architekturę wielościeżkową, aby osiągnąć zakres dynamiczny 1260 dB i przełożyć tę jakość na prawdziwy 32-bitowy sygnał cyfrowy. Niemniej jednak, jeśli chodzi o reprodukcję, najlepsze dzisiejsze układy DAC utknęły w okolicach limitu zakresu dynamiki 130 dB, a nowy wielościeżkowy przetwornik cyfrowo-analogowy Imersiv D1, pierwszy produkt jego nowej firmy, podobno jest w stanie osiągnąć 162 dB, czyli 27 bitów zakresu dynamicznego.
Przegląd techniczny
Nowy wielościeżkowy przetwornik cyfrowo-analogowy Imersiv D1 rozwiązuje jeden z problemów konwersji sygnału cyfrowego na analogowy: utrzymanie poziomu szumów na poziomie wystarczająco niskim, aby w pełni wykorzystać potencjał szerokości bitowej przetwornika DAC. Na przykład, jeśli mamy 26-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy, chcielibyśmy mieć pełny zakres, aż do najmniej znaczącego bitu, wolny od szumów. Jest to zakres dynamiczny wynoszący 156 dB, a utrzymanie szumu poniżej najmniej znaczącego bitu umożliwiłoby maksymalny poziom szumu w paśmie szerokopasmowym mniejszym niż 100 nV dla nominalnego sygnału wyjściowego 4 V. Rzeczywiście wysokie zamówienie.
Wejdź do przetwornika cyfrowo-analogowego Imersiv D1. Podstawowa idea – szczegółowo opisana w artykule Johna La Grou „Dynamic Range Improvement in Digital to Analog Conversion via Multipath Topology”, artykule z Konwencji Audio Engineering zaprezentowanym na 150. konwencji AES w czerwcu 2021 r. – polega na podziale łańcucha sygnałowego na dwie równoległe ścieżki, jedną przetwarzający dolne 19 bitów, a drugi przetwarzający górne 7 bitów. Wymagany zakres dynamiki dla dolnego 19-bitowego łańcucha wynosi obecnie „tylko” 114 dB i można go osiągnąć przy bardzo niskim poziomie szumów.
Ale teraz stworzyliśmy niemały problem dokładnego połączenia wyjść analogowych dwóch łańcuchów w odpowiednim stosunku, przy jednoczesnym zachowaniu niskiego ogólnego poziomu szumów. Sposób, w jaki firma Imersiv to osiąga, jest przykładem inteligentnej inżynierii projektowej. Ścieżka dolna, składająca się z 19 dolnych bitów, jest cyfrowo mnożona przez 128 (7 bitów; 34 dB), co przywraca ich pierwotny poziom, na którym pojedynczy przetwornik cyfrowo-analogowy może przekształcić sygnał na analogowy z poziomem szumów wynoszącym -106 dBu. (Mnożenie cyfrowe jest bezstratne i bezszumowe).
Oczywiście sygnał wyjściowy analogowy jest teraz o 34 dB za wysoki i jest to korygowane za pomocą analogowego tłumika 34 dB, który można zaprojektować tak, aby miał minimalny wpływ na szum. Po tym tłumieniu poziom szumów tego kanału wynosi -140 dBu.
Podobne przetwarzanie odbywa się z 7 górnymi bitami, ale teraz wzmocnienie wynosi +8 dBu w trybie analogowym (niski poziom szumu), co daje poziom szumu -106 dBu przy poziomie wyjścia analogowego +8 dBu.
Następnym krokiem jest połączenie dwóch kanałów w końcowe wyjście analogowe, co stanowi kolejne wyzwanie. Sumowanie sygnału analogowego o poziomie szumów -106 dBu z sygnałem o poziomie szumów -140 dBu daje łączny poziom szumów nieco powyżej -106 dBu – innymi słowy, tracimy zaletę ścieżki o niskim poziomie szumów. Ale i na to firma Imersiv znalazła rozwiązanie.
Z badań psychoakustycznych wiadomo, że hałas szerokopasmowy może być niesłyszalny, jeśli jest niższy niż określony poziom programu z powodu maskowania. Zatem te dwie ścieżki nie są bezpośrednio sumowane, ale D1 wykorzystuje bramkę sterowaną DSP, która łączy tylko dolną ścieżkę z wyjściem, gdy poziom programu jest niższy niż -26 dBu, zachowując w ten sposób wyjątkowo niski poziom szumów -140 dBu. Gdy poziom programu wzrośnie powyżej -26 dBu, do wyjścia dodawana jest ścieżka wysoka. Zwiększa to poziom szumów, ale przy wyższym poziomie programu będzie on nadal poniżej progu słyszalności.
A więc tak: przy -140 dBu na niskim i średnim poziomie programów i ponad 80 dB poniżej programów na wysokim poziomie, wielościeżkowy przetwornik cyfrowo-analogowy osiąga 26-bitowy zakres dynamiki. Stanowi to co najmniej rząd wielkości poprawę w stosunku do współczesnych jednościeżkowych konwerterów DA.
Koncepcja ta nie jest pozbawiona wyzwań. Tłumienie analogowe 34 dB w ścieżce niskiego poziomu musi być niezwykle dokładne, z odchyleniem mniejszym niż wielkość kroku LSB przetwornika DAC, aby zachować liniowość w pełnej skali 26 bitów. 19-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy ma wielkość kroku wynoszącą 1 na 524 000 wartości wyjściowej. Zaprojektowanie, zbudowanie i wdrożenie tak dokładnego tłumika analogowego i zabezpieczenie go przed wahaniami w czasie i temperaturze nie jest grzechem.
Podobny argument można wysunąć w przypadku bramki sterowanej DSP, która podłącza do wyjścia albo samą ścieżkę niskiego poziomu, albo zarówno ścieżkę niskiego, jak i wysokiego poziomu w sposób sumujący, przełączając się na poziomie programu -26dBu. Wreszcie, można uznać, że 7-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy typu high-path jest stosunkowo prostą sprawą, ale musi on także działać z dokładnością do najmniej znaczącej wartości bitowej całego systemu.
Dokument AES, który podaje pełne zaplecze techniczne Imersiv D1, zawiera listę kilku wcześniejszych prób wykorzystania przetworników DAC z dzieloną ścieżką. Kolejnym dobrym źródłem szczegółowych informacji technicznych są trzy patenty związane z koncepcją (patenty amerykańskie 9.590.648, 9.871.530, 10.256.782).
Uzupełnianie 32-bitowego łańcucha sygnałowego
Jak wyjaśnia John La Grou, technologia wielościeżkowa istnieje już od co najmniej 40 lat. Może dłużej. Został on z powodzeniem zaimplementowany w przedwzmacniaczach mikrofonowych i przetwornikach A/D, co umożliwiło obsługę prawdziwie 32-bitowych przepływów pracy z istniejącymi cyfrowymi stacjami roboczymi audio, które są również w stanie przetłumaczyć prawdziwy 32-bitowy dźwięk i cały jego zakres dynamiki. Przetwornik cyfrowo-analogowy Imersiv D1 jest w stanie pobrać 32-bitowy plik audio, powiedzmy plik FLAC, z wyjścia USB, który następnie jest rozdzielany przez procesor DSP na dwie ścieżki sygnałowe, w wyniku czego powstaje ścieżka wysoka i ścieżka dolna.
„Mamy około 7 bitów lepszą wydajność [40dB] niż jakikolwiek inny przetwornik cyfrowo-analogowy wyprodukowany dzisiaj, dlatego nazywamy to zmianą paradygmatu. Należy pamiętać, że 40 dB to obiektywna poprawa dźwięku 100-krotnie w porównaniu z najlepszymi dzisiejszymi specyfikacjami DAC” – mówi John La Grou. Millennia, spółka matka Imersiv, jest już wiodącym projektantem front-endu do nagrywania krytycznego dźwięku, dostarczając ponad 50 000 kanałów sprzętowych. HV- Przedwzmacniacz z 3 mikrofonami, zdobywca nagrody NAMM Technology Hall of Fame, jest jednym z najczęściej używanych front-endów do nagrywania muzyki klasycznej, muzyki filmowej i muzyki akustycznej.
La Grou zauważa również, że „planowane lub opracowywane są inne produkty immersyjne o wysokiej dynamice, w tym wzmacniacze mocy, przetworniki A-D i kanały nagrywające. W pewnym momencie w przyszłości branża profesjonalnego sprzętu audio zrealizuje nagranie całego 170 dB ekosystemu, od mikrofonu po wzmacniacz mocy i wszystko pomiędzy” – dodaje.
Przetwornik cyfrowo-analogowy Imersiv D1 Multi-Path DAC znajduje się obecnie w fazie testów beta i powinien zostać wypuszczony na rynek w połowie 2024 roku. Ceny nie zostały jeszcze ustalone, a La Grou wyraziła zainteresowanie udzieleniem licencji na pakiet patentowy Imersiv kwalifikującym się firmom.
www.imersiv.com