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デジタルオーディオことはじめたら

17/11/19初稿

 実践に当たる内容がリクツを語る記事にあるのはやっぱりどうかなと気になり始めちゃいまいたので、「デジタルオーディオことはじめ。」から分離しました。
 なので本当の初稿はそちらになります。


■PC-Auidoの遊び方(の一例)

 リンク先記事で記したデジタル音声処理事情・DAC事情を踏まえて“PCオーディオの遊び方”を考えてみます。

・デジタルデータのアナログ化に必要なデジタル処理を、PCオーディオはどこでやるか変えられる
 PCMデータはOSDFされΔΣ変調され、そのストリームがLPFでアナログ化されます。
 DSDデータはネイティブ再生システムならそのままLPFでアナログ化されます。

#厳密に言うと、ΔΣブロックではΔΣストリームの周波数までPCMをさらに“オーバーサンプリング”しています。256倍ならOSDFで8倍されたデータをさらに32倍してからΔΣ化しているようです。OSDFよりシンプルな方法(ゼロサンプル挿入?)でやってると推察しています。

 この処理プロセスはどんなシステムであろうと原則変わりません。
 そして、PC+ネイティブDSD再生可能なDACユニットなら、これらの処理…OSDF(PCでやるならアップサンプリング)をどこで何倍までやるか、ΔΣ変調をPCでやるかDACでやるかは設定・構築次第です。

 例えば≪foobar2000≫とUD-503(AK4490)で1644データを鳴らす場合、極端な例として

・≪foobar2000≫側では何もしない場合
 ⇒ AK4490内部で8倍OSDF→ΔΣブロックで32倍オーバーサンプリング(合計256倍)
   →ΔΣストリーム(11.2MHz)化→LPFでアナログ化

・≪foobar2000≫側で全部やっちゃう場合
 32倍アップサンプリング→ΔΣブロックで8倍オーバーサンプリング(合計256倍)
   →ΔΣ変調でDSD256化
 ⇒ AK4490内部のLPFでアナログ化

という鳴らし方ができます。この間をとった設定はお好み次第ということですね。ソフトウェアによってはフィルタ特性やDSD変換演算の設定もできます。
 ΔΣ以降をDACチップ側にやらせる構成なら、アップサンプリングとOSDFを双方で行うこともできます。AK4490相手なら、PC側で2倍したらDACチップ側では4倍になるワケです。PC側で8倍して送り込めばOSDFはバイパスされますからDACチップを「ΔΣ変調&アナログLPF回路」として使うこともできます。
 PCで2倍、UD-503内蔵のFPGAで2倍、AK4490で2倍=合計8倍なんて設定も。

 PCオーディオ(設定可能なソフトとDSDネイティブ再生可能なDACユニット)なら、音源データのデジタル処理システムをかなり自由に構築できるということですね。

・PCで処理するかDACでするか
 どっちでやってもいいとしていも、高性能な方でやらせたいですよね。
 ですが、上述した通り実際のDACチップの仕組みは複雑ですので、言うまでもなく単純比較はできません。例えばPC処理して送り込む場合は当然シングル1bitストリームですが、DACチップ内部処理はそうではありません。
 なので正確には解りかねますが、個人的にはPC処理はDACに勝るとも劣らない(少なくとも使い物になる)と判断しています。
 DACチップのΔΣ変調演算は64bit浮動小数点精度ではやってないハズ、と(笑)。



 さて、ここからは現時点での個人的な考え方です。
 個別事情や考え方はいろいろありましょうからもちろん客観論にはなり得ませんが、とりあえず参考まで。


■PC-Audioシステムチューニングコンセプト

・システムチューニングは「帰納法」で考える
 人はアナログな音波として音を聴いて(感じて?)います。
 アナログ信号を生成するのはDACチップです。
 データはDACチップまで改変なく届いています。
 なので、音を良くするためにはDACチップを健やかに動かすことをポイントに考えるとよいのではと思っています(アナログだけでなくデジタルの部分もその観点で考える)。DACチップ以降のアナログ段も当然関連します。

 その“おおもと”から遡ってシステムの在りようを考えると効率いいのではないかと。

・MCLKを極力キレイにする
 位相雑音性能が良い水晶発振器を搭載したDACユニットを選びたいですね。44.1kHz系と48kHzで原発振を使うためには、それぞれ用の水晶を搭載している必要もあります(でないと片方はPLL生成)。
 ですが選ぶだけでなく、その原発振がそのまま使えるように動かす必要もあります。

 ⇒そのためには、上述の通り、現時点現実的には「USBアイソクロナス・アシンクロナスモード」を使うしかないと思っています。

・アナログ化までの忙しいデジタル処理はDACにやらせない 
 PCM再生に必須の処理「OSDF」「ΔΣ変調のための単純オーバーサンプリング」「ΔΣ変調」は、PC側でやるのとDACチップ側でやるのでは、どちらがDACチップのアナログ化回路に有利でしょう?

 ⇒DACチップ内のデジタル処理はより少ない方が、DACチップとしての電源変動やノイズ発生が少なく済むのではないかと思っています。とするなら、送り出し側で出来るデジタル処理は極力やってしまった方がアナログ化回路を健やかに動かすためにはよいのでは?
 当然、PC側処理がDACチップのそれに決定的に劣っていない(差し引き当該メリットの方があり得る)ことが条件です。確証はありませんが個人的にはそのように判断しています。
 ということで、今のところ「PC側で悉くやっちゃってDSD256化して送り込むことでDACチップをアナログLPFとしてのみ使う」作戦をとっています。
 DSD音源を聴くためではなく、このためにネイティブDSD再生を利用するワケですね。

・DACチップに供給されるアナログ電源とデジタル電源とGNDの質を高める
 DACチップから出力されるアナログの質を高めるためには、まずはこれでしょう。
 1点アースなどの工夫はありますが、DACチップのデジタルGNDとアナログGNDはアイソレートされてはいませんので。

 ⇒そのためには、DACユニットの電源部が良質であることが必要でしょう。
 そのためにはそういうDACユニットを用いるしかありませんが、ユーザとしても投入する電源をキレイにする工夫ならできそうです(ACでもDCでも)。チープなACアダプタ電源(当然イマドキはスイッチング電源)などの場合、そこに手を打つなどです。ERIでも、かつてDC電源の浄化、なんてやってたことあります。
 ただ、“付属品で音質チューンされている可能性”もありますけれど。

 また、「非Audio機器」は極力システムから排除した方がいいと思われます。AC電源を汚す可能性がありますので。
 システム構成で言うと、例えば以下の例ではどちらがシステム全体が低ノイズ=DACチップ(の電源)に優しいでしょう?

    PC (ATX電源,アース接地) 
  → DACユニット (Audio機器電源)

    NAS (ACアダプタ) 
  → ハブ (ACアダプタ) 
  → マイコン (ACアダプタ)
  → DDC (ACアダプタ) 
  → DACユニット (Audio機器電源)

 なお、水晶発振にも電圧必要ですので、発振器用電源もキレイにすべきであり、それはDACチップ用電源とはセットになると思います。

・USBで接続されるPCのGNDとUSB5Vからノイズを貰わない
 PCの5V品質はオーディオグレードからはほど遠いでしょう。ですのでUSB5V(バスパワー)動作のDACユニットは原則的に不利だと思います。
 「5Vを外部供給にする改造する手がある」というのはメリットかも知れませんけれど。

・出来ることならPC側とDAC側を電気的アイソレートしたい
 USBケーブルでのアイソレートは現実的ではない(USBアイソレータという機器もなくはないですが)でしょうから、内部でそういう回路を持っているDACユニットを選ぶしかないでしょう。といっても100%影響をカットできるものではないと思いますけれど。
 ノイズ低減という意味ではUSBフィルタという手もありますが、ノイズは結局GNDに逃がすので、効果を出すにはひと工夫必要そうです。
 PC側からの5Vをカットしても動くDACユニットを用いるという考え方もあります。USB規格からは逸脱すると思いますが、そういう製品もあるようです。ただし、それでもGNDは繋がざるを得ませんが。

 かつてはDDCのワイヤレス化なんてやってましたが、ホントは「光USBケーブル」欲しいですねぇ。HDMIは光化できるんだから技術的には出来そうですけれど。市場性の点で無理かな(バスパワー供給できなくなっちゃいますからね)。

・そもそもPC側のGNDやUSB5Vがよりキレイであるに越したことはない
 クリーンアップするにしても元からいいほうがいいですよね。なので、CPUを初めとするPC部品は極力低ノイズで動いて欲しいところです。

 ⇒そのために低消費電力PCにするという考え方があります。
 が、電源にチープなスイッチング方式のACアダプタを使ったりしたら意味ないかも知れません。また、「低出力電源は低ノイズ」とは限らないでしょう。もしかすると高級ATX電源かつGNDをアース接地した方が低ノイズかも知れません。
 また、M/B上には複数電源を生成するDC/DCがありますが、これらも低ノイズ性能のパーツ・回路(当然高コスト)の方がよいワケで、オーバークロック用やゲーミング用の高級M/Bの方がその可能性は高いでしょう。
 ですので、低消費電力の安価なシステムより、高性能で高価なシステムの方が電源品質がよい“可能性もある”のではないか、と思っています。CPUの安定動作には高品位な電源・GNDは欠かせませんし、強力な電源・GNDはCPU動作(電力消費変動)に影響を受けにくいものですので。速いPCの方がUSBノイズが必ず大きいとは言えないと思います。

 要はUSB経由(可能性としてはAC経由も)でDACユニットに伝わるノイズが小さければよいのであり、DACユニットにしてみれば送ってきた相手が高速PCか低速PC(またはマイコン)かは関係ありませんから、そのためにどんなPC(マイコン)を使うかはチューニング手法のひとつと言えるでしょう。

・USBデータラインを低ノイズ化する
 USB電源と同じく、DACユニットに入れるUSBデータ信号も元からキレイな(低ノイズな)方がよいでしょう。

 ⇒そのためには、USBコントローラはオンボードではなく拡張カードの方が有利なのではと思っています。USB5Vの観点でも、カードによってはPSUからダイレクトに受けた5Vを使えるものもあるようですし。そういうカードなら、改造すればバッテリ駆動も可能かも知れません。
 また、USBは「差動信号」ですので(バランス接続みたいなもの(笑))、USB+とUSB-のケーブル長が等しくないと信号乱れが発生するでしょうから、そういった配慮がなされたケーブルの方がよいでしょう。

・USBの転送タイミングを安定させる
 フレーム周期はClass1なら1ms周期、Class2なら125usです。この周期がより安定していた方が、送受信双方ともデジタル回路の動作タイミングパターンが安定するのでは。

 ⇒そのためには、送り出しシステム内部で生成される周期がより均一である必要があります。例えば、124usと126usが同じ比率で出現することでマクロ的フレームレートの帳尻が合っている状態より、毎回キッチリ125usでI/Fした方が受け側DACユニット内の後段も安定するでしょう。
 USB-DACユニット内にはUSB-I/Fチップがあり、PCからUSBを受信し、それをDACチップが理解できる信号(通常はI2S)にデコードし、DACチップに送信しています(アシンクロナスモードの場合、ここでバッファリングとフィードバック制御することで受信側と送出側のクロックが非同期でもデータ欠損しないようにしています)。このチップのPC側動作が揺れることでDACチップ側の信号にも影響を与える可能性を考えています。

 ⇒そのためには、転送のための割り込み応答性を高くすべきです。
 組み込み用の「リアルタイムOS」でUSB転送のプライオリティを上げるのは正当なアプローチと思われます。
 軽量OSとマイコンの組み合わせも、この効能が大きいのかも知れません。
 PCにおいては、クロックやコア数の性能が高い方が有利な可能性があると考えています。
 また、USB3.0のxHCIの方がUSB2.0のEHCIよりシステム負荷が低いようです。
 「システムは遅い方・古い規格の方が有利とは限らない」のでは、と思っています。

 また、OSチューンもこの効果を狙ったものと言えます。
 ハードウェアチューンとしては、拡張カードを挿すPCI-Expressはチップセットの機能ではなくCPU直結の方がいいかも知れません。

・低ノイズ・低負荷でソースを取得する
 USBの低ノイズ化・転送タイミング安定化のためには、USBコントローラに送り込むソース(音源)取得のための負荷やノイズを極力減らす必要があります。

 ⇒そのためには、音源格納ストレージとのI/Fコントーラや制御システムにつき、割り込み負荷やノイズ発生などの点でどれが有利かよく比較検討する必要があるでしょう。SATA(PATA?)-I/Fの内蔵、USB-I/Fの外付け、SDカード(大抵はUSB経由)、USBメモリ、ネットワーク上のNAS、HDDかSSDか、などなど。
 例えば、内蔵SATA-SSDなら「SSDとSATAコントローラの制御負荷とノイズ」、NASなら「LANコントローラとEthernetの制御負荷とネットに繋がれた機器からLANケーブルおよびAC経由で流入するノイズ」、“どちらがマシか”という比較になります。
 外付けUSBドライブからRAMディスクにアルバムごとコピーしてドライブ外してしまうことで、再生中は音源ストレージレスにするなんて手もありますね。
 ちなみにこれらI/Fではどれもエラーしたら再送されますので、再生される音声のデータエラーは“なし”で同じです。
 また、アタリマエですが、I/Fのタイミングや転送クロックは、どれもオーディオのサンプリングクロックとは全く関係ありません。
 PCのI/Fですから。

・システムのGNDをキレイに(強力に)する
 ざっくり言うと、特にPC(に類する機器)を組み込んでいることに着目した「グランド安定化」がキモではないかと。
 特に「アース」については、後回しにされがちですが実は非常に影響大きいパラメータのようですから、早めに熟考すべきと思っています。
 普通の国内用オーディオ機器は、たとえ3pinインレットでもアース機能ありませんし。
 逆にPC(ATX)はアース前提の機器ですし。
 電源ケーブルの構造も、意外に種類ありますし。


 もちろん正解はありませんけれど。


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