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2016 CHORD原厂专访(三):CHORD DAVE,世界最强的解码器!

作者:赖英智/阅读:1010/2016-11-13
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摘 要: 理论上 DAVE 解码器可以还原 -300dB 的微弱声音(因为失真低至不可测),而模拟线路仅有二个电阻与二个电容,声音的细节与纯净度不言而喻,这绝对是音响史上破天荒的纪录。


2001 的一次采用 DAC 64 年, CHORD 64 Bit 解码器,也是第的推出第一代 DSP 来处理资讯,从此 CHORD 在数字领域开启了崭新一页。最新推出的 TheDAVE 解码器( Digital to Analogue Veritas in Extremis),更号称是世界上最好的解码器,从参数上来看,的确是无敌的! DAVE 独特的 WTA滤波器经过 64bit、 17 阶杂讯整形、164000Taps 等过程,将数字讯号转为模拟讯号。这样的处理过程要使用一大块的线路板,它使用巨大的Spartan 6 架构 FPGA(有 750000 个逻辑单元),这个 FPGA 面积是 Hugo的 10 倍,里面有 16 个客制 DSP 核心以 208MHz 的时脉在运作处理庞大的声音数据。 DAVE 对应 768kHz的 DSD/ DXD HD 音频格式,除了DAC 外还内置数码前置放大器与耳放(用家说推动高阻抗耳机声音一流),总谐波失真仅有 0.000015%( 2.5V 输出),噪声为 127dBA,这可是非常非常惊人的指标。


 目前 CHORD 的旗舰解码器 / 前级 / 耳放一体机,即使价格不低仍然严重缺货中

不过 CHORD 的数字产品并非John Franks 设计的,反倒是那极其独特的外观都出自老板之手。 John Franks 说他喜欢各种艺术,旅行时一有创意就画下来,例如他不喜欢传统CD 机的造型,于是设计了圆形的舱盖。但是有想法是一回事,如何去实现又是一回事,由于 CHORD 的产量不大,又是全机属机箱无法开模具,所以难度就更大了。不只是要奇特,还要实用, Franks 说它们的成本非常高。一个 CD 舱盖大概由 6-7 个金属零件组成,由铝合金车制出来再结合,由于精度很高所以看起来像一体成形。铝合金加工厂就在 20 分钟车程的地方,所以他们可以紧密沟通,配合 Franks 的奇思妙想制作出 CHORD与众不同的机箱。


 二十年的老交情, Franks 与 Watts 的合作是缘分也是必然,一个慧眼识英雄,一个执着于极致。 Watts 的工作是爲 FPGA(可程式化逻辑阵列晶片)与特定硅晶片( ASIC's)设计撰写功能元件组块,他靠个人开发的专利与功能元件组块售予大型晶片设计公司来谋生,也就是说,他与CHORD 的合作是出自兴趣并非酬佣上的考量,因为 CHORD 让他有机会设计出表现最好的作品。

CHORD 的功放也很不凡,Franks 说他的灵感来自美国宾州的落水山庄(也称流水别墅, 1935 年由美国建筑师 Frank Lloyd Wright 所设计,房屋横跨在熊奔溪的瀑布之上)。这位建筑师被别墅兴建地点附近美丽景致深深打动,苍郁的密林和鲜艳的花朵倒映在清洌洌的溪水中,溪水拍打着巨大的岩石,形成了可爱的飞瀑。 Lloyd 冥思苦想,最后出人意料地将房子架在了瀑布之上,房子与自然完美的融合在一起,美国建筑师学会将之名为“美国建筑史上最伟大之作”,“一生中一定得造访一次的地点”。 Franks 设计的功放就像房子悬吊在支架上,既美观又可以避震,所以 1998 年以后 CHORD 的外观就变成今天这个样子。


 从十几岁就开始在 CHORD 打工的Matthew Bartlett,目前已经是公司的主要工程师

这位电源与功放的专家不想随大潮,1999 年他去美国参加 CES 展,遇见了英国老乡 Rob Watts,他带了一部 dpa 品牌的解码器参展, Franks慧眼识英雄,一谈之下发现彼此还真是有缘分。 Watts 的父母从威尔斯的卡玛森郡 Carmarthen 迁居到梅德斯通,他们买到房子恰巧是 Franks 出售的,两家人很快熟识,而 Franks则邀请 Watts 来帮他们设计数码音响。 Watts 是自由的约聘设计师,平常不在 CHORD 上班,这种方式带给他更大的自由发挥空间,所以才会有DAVE 这样的产品问世。


 从这块线路板可以看到三个巨大的芯片,包括 FPGA 与 64 Bit 的 DSP,这是 WAT滤波器的心脏。按产品等级不同, WAT滤波器的复杂程度也有差异。

Watts 说他在十几岁的时候就已经是个音乐发烧友了, 1980 年代初期数字录音出现,当时他被那种透明度所吸引,不过问题是听上去音乐性很差,和录音质量优质的模拟录音相比,缺少音乐的感动。那个时候他还在大学学习电子技术,采样理论是一门必修课,所以他意识到数字音频的核心问题是重建和内插滤波器——FIR 滤波器。由于 Watts 兼修了生理声学与心理声学,他了解到时间上的精确性对人类感受音乐有决定性作用,要使时间性能被处理得足够的精确,需要一个 Taps 长度足够的滤波器,而 这在 1980 年代是不可能实现的。 Taps 是数字滤波中电阻、电容、电感阵列阶数,一般解码芯片的数字滤波精确度为 256 Taps,而第一代的 DAC 64 就有 1024 Taps,而且很快进步为 4096 Taps,你看精密度差了多少倍 ?


 解码器使用的小型高频电源,四周有金属隔舱进一步降低干扰


基于 sinc 函数理论,如果要达到16bits 的精确度,将需要 100 万个Taps 的 FIR 滤波器,这根本是在开玩笑,不可能达到的。数字音源另外一个难以克服的问题是 R2R DAC 的电阻匹配精度,小信号将产生大量的失真。这和人耳的听觉失真情况,以及模拟音源恰恰相反,模拟系统的失真随信号强度增大而增大,而我们的大脑从来都只会迁就耳朵,而不是那台可怜的数字音源。所以早期的 CD机声音冰冷、坚硬、攻击性强,绝对谈不上什么音乐性。主要原因归咎于这两个问题——糟糕的时间精确度和小信号失真。


 CHORD 的 SMD 贴片印刷电路板委外生产,工厂内只负责组装与测试,这是降低成本的方式之一


1988 年, Watts 第一次听到飞利浦的比特流解码芯片 SAA7320,采用脉冲密度调制 PDM 制式,原理上与现在的 DSD256 相同。 Watts 说当时惊呆了, CD 听起来就像模拟系统一样,顺滑而且有音乐性,从那一刻起,他决定要仔细研究 DAC 的设计。很快他就发现,飞利浦的比特流技术并不完美,怎么可能只用256 个脉冲,就精确还原一段 22 微秒的弱高频信号呢?这个数字太小了。所以 Watts 开始同时使用多个噪声整形器做试验,最后将它们的输出叠加起来,这样可以得到更高的分辨率,事实证明这种方式确实可以获取更优秀的音质表现。


 Hugo 解码器的线路板,上面标示滤波精确度为 26368Taps,第四代阵列脉冲数字/ 模拟转换。


同时 Watts 开始使用 FPGA 来产生随机数据,再以 64 Bit DSP 处理运算,这是音响行业最早的同类设计。 FPGA 技术(可编程门阵列,能透过可编辑元件来实现复杂的解码器或数学方程式)自 90 年代初开始飞速发展, Watts 说 1994 年他已经可以在 FPGA 上做出一个完整的噪声整形器了,而彻底打开了他通向数字音频设计最高殿堂的大门,可以不再受限于市售的各种成品芯片,而专注于所需要的声音表现。不久之后, Watts 的脉冲序列 DAC成功面世,它的噪声整形速度高达2048 飞秒,并且工作于 5bits 输出状态下,音质表现远强于飞利浦的比特流解码芯片,而且还有更低的jitter 敏感度,噪声水平随信号的变化小得几乎不可测量,更低的频带外噪声,这些优势使得模拟电路的设计可以最大程度的简化。


 旗舰解码器 DAVE 的内部

脉冲序列 DAC 的问世解决了小信号失真和分辨率问题,但是采样理论中关于时间精确性的问题仍然存在。 1999 年,这时候 FPGA 已经发展到可以在其上完成一个完整的 FIR滤波器的程度了,于是关键的 WTA( Watts Transient Aligned)滤波器问世了,这是世上第一个 1024 Taps 的滤波器,声音有了质的飞越。事实证明, Taps 长度不足的 FIR 滤波器造成的时间精度问题,对声音的影响是致命的,第一台使用 WTA 滤波器的产品就是 CHORD DAC 64。 15 年来WTA 滤波器不断在进化升级,采用FPGA 胜于 DSP 的地方就是只要更换计算方式,马上就有新的效果出来。在 CHORD 最新的旗舰 DAVE 上面就使用了一颗巨大的 FPGA,在设计这个噪声整形器的时候根本没有考虑过它的大小, Watts 需要的就是极致。这位天才设计师说, DAVE 的结构十分优美,像他第一次见到麦克斯韦方程组一样洋溢魅力。麦克斯韦方程组由四个方程共同组成,高斯定律描述电场是怎样由电荷生成 ;高斯磁定律表明,磁单极子实际上并不存在于宇宙 ;法拉第感应定律描述含时磁场怎样感应出电场 ;麦克斯韦 - 安培定律阐明,磁场可以用两种方法生成 :一种是靠电流(原本的安培定律),另一种是靠含时电场(麦克斯韦修正项)。很复杂吧?是的,对我们这些物理门外汉来说,简直就是无字天书,你只要知道,理论上 DAVE 解码器可以还原 -300dB 的微弱声音(因为失真低至不可测),而模拟线路仅有二个电阻与二个电容,声音的细节与纯净度不言而喻,这绝对是音响史上破天荒的纪录。


 CHORD 不用市售的解码芯片,这是DAVE 解码器的阵列脉冲数字 / 模拟转换,滤波精确度达到惊人的 164000Taps,前所未有的纪录!

虽然 DAVE 解码器的规格参数十分惊人, Watts 却说人耳与人脑的医学问题极其复杂诡谲难以捉摸,一些明明听不到的信息但可以被感知,到现在还没有人彻底搞明白究竟大脑是如何处理声波信号的。所以作为一个技术者应该做的,就是把已知所有可能劣化声音的因素,都削弱到我们能做到的最大程度。喜欢古典音乐的Watts 说准确分清每一个声源位置的纵深感、每个音符起始和终止的瞬间、音色的真