固阳音箱协会

高清数字音乐播放器的起源与发展(xs_horizon分享之一)

耳机俱乐部2018-12-05 07:41:08


文   |   xs_horizon



作为第一篇分享,我不得不说一下为何发WEIBO 作为固定分享的原因,这几年我分享了很多关于数字音频技术的内容,有些随着产品介绍,而大部分是在享声群内:207427991。昨天很多用户给我建言,有时间在群内分享,为何不能分享给更多的烧友朋友??其实之前也有朋友建议我形成分享系列,但是个人时间实在有限,都是随性而发,加上中文水平实在有限,外企的近十年,连中文打字的五笔字根都忘了,这次在群友的强烈批评下,于是下定决定,非节假日以及特别情况(出差,生病等)尽量每周随手一篇关于音响,数字音频相关的分享,xs_horizon的帐号发出,欢迎大家批评与指导。任何转发,必需要引用本人信息。


说起HIFI级的高保真数字音乐播放器,我们就不得不提Linn 这个品牌。Linn 作为英国的Hi-END品牌除了Hi-FI器材以外,同时还有唱片业务。 2007 年推出业界第一台HIFI级高清(母带级的)网络数码流播放器,并在随后几年完善入门,中级,高级系列,并在2009年宣布停产CD/SACD播放器的产品。刚出来时价格接近20W人民币,效果超过其自产的旗舰SACD,不需再购买CDSACD,手机,平板控制等而备受业界瞩目。






Linn 采用XINILX FPGA作主控,内部集成一个ARM9内核,并支持网络接口,从而实现ARM作为接口,FPGA从事音频处理的功能,这种设计的好处也是利于CPU实现接口以及通用协议的支持,而FPGA适用于需要高稳定性,高实时性的音频处理。






同时采用多晶振来实现对各种采样率的支持(后期优化后,晶振减少了)






这是因为,母带数字音乐,有二种格式,一种DSD编码,一种是PCM编码(后续分享当中分重点说明DSD编码以及PCM编码的区别),DSD编码是一种通过关注变化趋势来进行对模拟信号数字化,而PCM而是通过关注模拟信号的振幅来进行数字化(数字化就是对模拟的波形进行纯数字化的采样,使得能够数字存储,比如数码相机,也是对图像数字化,像素就是数字化的关键信息,而音频则是采样率)。而PCM编码有二种采样频率,一种是44.1khz采样频率的倍数,一种是48khz采样频率的倍数,在DAC解码过程当中,他们之间的通讯协议(I2S)中需要一个是采样率为128倍或更高的主时钟,即一般是11.2896MHZ44.1khz倍频),12.28848khz倍频)的倍数以上。众所周知,现在的顶级的锁相环分出来的时钟精度以及噪声均不可能与原生晶振所对比,比如,顶级的锁相环的噪声才-110db,而一个有源低噪声晶振可以达到-150db,这也是Linn 采用多个晶振来实现对各种采样率编码支持的原因。

 

2007年之前,也有很多所谓“高保真数字”母带播放器,也集成了高级的DA芯片(如同现在的HIFI手机),但是对发烧友来说都不能称之为真正的HIFI级。有两个原因,一个是数字处理是CPU,完全不如FPGA的稳定性,实时性,低Jitter, 低噪声;第二个全部是低劣工业级的CPU锁相环分频出来的时钟,驱动CPU音频模块来输出音频协议, 加上CPU信号信噪比一般低于90db,所以数字输出的质量非常低劣,后端再好的DA芯片以及模拟放大,重放效果远远没有造成HIFI界的任何轰动。

 

2009年,我有幸听了美国同事(其实也是中国人)的一台Linn的旗舰极点,当时作为一个音箱烧了十几年的音乐爱好者,着实被震撼了一把,从来没有想象到原来可以比CDSACD还好的声音,特别是放母带音乐时的那种声场,透明度,密度,自然度,非CD所能够比拟,而CD格式的效果也达到高级CDP的档次。作为一个本身从事技术工作,并且之前改过做过无数自用器材的我来说,最后破费把同事的这台买下,并且拆机研究,同时叫上之前几位从事技术工作,但是也是音乐发烧友的朋友一起研究原理,在2010完成对其全部功能在FPGA上进行了仿真,2010Altera FPGA上对其核心功能进行了实现,并在当年开发了AD1852解码板,配合这个FPGA进行联调优化。直到2011,我们认为差不多了,与南大声学所,数字音频处理方向的老师进行交流,卢教授等他们方向的老师在评估完我们的方案后,并在几百万级的各种顶级音箱,器材的试音室与10万级的HDCD进行各种对比,认为声音上在同样CD音源下(CD抓轨下来)与那台HDCD并无差别,实现方法先进。同时我们也在当时华东最大的音像城,与万元级的CDP对比,多个店铺对比后表示吃惊,不亚于某些品牌万元CDP

 

当时的方案比较简单,基于FPGA实现SD卡功能,外设接口有限,连Linn的扩展性都达不到,于是当时几位朋友合伙注册公司---南京享声音响有限公司,开始商业化这个技术方案的历程。  

 

后来我们认识到了,数字音乐重放最重要的是重放品质要不输CD,同时功能更为强大,更方便, FPGA的接口非常有限并且不太适合现在的通用接口,Linn 虽然集成了ARM9,但是仍然只有网络接口,扩展性也很一般,考虑到中国国情,以及众多烧友的实现情况,我们把CPU FPGA当中单独出来,并且为CPUFPGA开发了一条近实时,速度超过1.5Gbps 的通道作为CPUFPGA的实时双向通讯。CPU负责各种外设接口,而FPGA负责专业的音频处理,集成双晶振支持续44.1khz 倍频(含DSD),48khz倍频的独立时钟。从而完成在架构上对Linn的完全超越,方便性与接口大幅度增强。并在2011年实现并申请了架构专利,2012年获得,也是国内最早从事母带级高保真音频架构的公司,也是唯一获得高保真流媒重放整体架构的公司。






这几年,享声音响对这个架构进行了深度的优化,包括电源处理,噪声抑制,时钟噪声优化,内部时序优化,FFT算法,极高性能的同轴输入输出支持,DSD原生与DOP等,使得数字输出质量大幅度提升,也在2013年初第一个在业界推出高级专业的HIFI级数字转盘系统,也是目前全球销量最大的数字转盘产品,同时也有一体化的网播如 A200S,A280等。 2015年享声音响第一次把这个架构带入到了便携市场,即 Esther M1,后续还有飞秒级的M1 Pro 

 

同时市场上也有XMOS(双时钟)+CPU的方案,以及CPU+FPGA+双时钟的方案,这些方案均与享声的方案不同,也与Linn的不同, XMOS 的方案是CPU+USB通道的方案,CPU负责解码,XMOS只是输出数字音频;而CPU+FPGA+双时钟则是用FPGA(其实大部分是CPLD)则只是把CPUIIS设置成SLAVE,作一个时钟选择器的功能,虽然外部时钟提升了时钟的精确度,但是噪声以及电源问题仍然没有解决,同时解码还是CPU解码。






从上述信息可以看出,高保真HIFI级数播,网播的发展史,其实是数字输出质量以及易用性的发展史,作为DAC部分则在90年代已经成熟,成本即决定了价格。虽然享声在高保真音频芯片以及架构实现长达6年,但我们仍然我们认为,顶级的数字音频还有很大的空间,这是因为随着体积,功能,电源的条件越来越严格,对优化也要求越来越高,加上最新的晶振以及电源技术的进步,效果提升也会有目共睹,Linn 2009年后就技术一直没有更新,也造就其不再成为最优选的重要原因。









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