Как выглядят знаки судьбы в мире High End, почему шесть лет назад было невозможно создать ЦАП DAVE и причем тут закон Мура? Наконец, зачем ЦАПу частота 2048кГц? Ответы на эти и многие-многие другие вопросы, которые даже не возникали в наших головах, дали Джон Франкс и Роберт Уоттс, приехавшие в Россию на презентацию нового ЦАП DAVE от Chord Electronics.
    High End без доли эзотерики и мистицизма — это уже не High End, а какая-то скучная инженерная разработка. Так, судя по всему, считает бессменный руководитель Chord Electronics Джон Франкс (John Franks). Прежде чем обрушить на головы собравшихся тяжелую артиллерию в виде создателя всех фирменных ЦАП Роберта Уоттса (Rob Watts), он решил сказать несколько слов об истории компании и их с Робертом судьбоносной встрече.

История словами Джона Франкса
    «С Робертом Уоттсом мы познакомились на выставке CES в Лас-Вегасе в 1995 году. Я тогда представлял свои новые усилители, а Роберт был молодым изобретателем, который подошел ко мне и сказал, что создал необычную технологию работы ЦАПа, и она обязательно должна меня заинтересовать. Мы разговорились. Сначала о технике, потом на отвлечённые темы. Оказалось, что Роберт живет в Англии в трехстах милях от меня. Более того, его родители купили дом в Уэльсе, в котором когда-то жил я сам. Определённо, это был знак судьбы.

Джон Франкс рассказывает историю создания ЦАП Chord Electronics

    Спустя примерно год Роберт позвонил мне и сказал, что сделал тот самый ЦАП, о котором рассказывал, и что я должен непременно его послушать. Он показал большую плату, на которой было четыре крупных микросхемы. Я спросил: «Наверное такой ЦАП будет стоить дорого?» Роберт ответил, что стоимость одних только микросхем составляет порядка 200 долларов. С точки зрения бизнеса это казалось неразумно дорого, но мой опыт создания ЦАП на стандартных чипах показал, что ни один из них не обеспечивает достаточно высокое качество звучания.
    То, что сделал Роберт, выглядело совершенно иначе, и только это заставило меня подумать, что из подобной затеи может получиться что-то интересное. Так и вышло: ЦАП звучал на порядок лучше всего, что я когда-либо слышал. Это была настоящая магия, и я решил: “Пусть он стоит дорого, но несмотря на это нужно работать именно с этой технологией”. Так началось наше сотрудничество с Робертом, и в конце девяностых годов мы выпустили наш первый ЦАП Chord DAC 64».

Код и не код
   А теперь имеет смысл хотя бы в общих чертах объяснить, что же такое ЦАПы Chord Electronics, и как Джон Франкс и Роберт Уоттс работают над их созданием. С аппаратной точки зрения ЦАПы Chord Electronics представляют собой микрокомпьютер, функционирующий на основе программируемых микросхем типа ПЛИС. Это логические матрицы, работу которых определяет написанный специально для них программный код. В ходе разработки ЦАПа Франкс занимается аппаратной частью, а Уоттс — программным кодом.

Тот случай, когда космический дизайн устройства полностью 
соответствует содержащимся в нем космическим технологиям

    Учитывая, что Уоттс работал над созданием своего ЦАП еще до встречи с Франксом, общее время, потраченное на разработки и постоянное совершенствование технологии, составляет порядка тридцати лет. И последние двадцать лет речь идет о практической реализации. Самое интересное, что большую часть времени Роберт работает самостоятельно, совершенствуя программный код на имеющихся устройствах и прототипах Chord Electronics или в компьютерной программе-эмуляторе. Фактически он даже не является штатным сотрудником компании. И хотя ЦАПы Chord Electronics — это по своей сути детище Уоттса, без правильно реализованной аппаратной части их бы просто не существовало. С технической точки зрения именно возможности используемых ПЛИС напрямую определяют возможности и уровень качества работы ЦАПов Chord Electronics.

Джон Франкс: «Развитие линейки ЦАП Chord Electronics обеспечивает закон Мура. Это эмпирическое наблюдение, сделанное ученым Гордоном Муром, которое говорит о том, что по мере развития производства микросхем количество транзисторов, размещаемых на одном кристалле, будет удваиваться раз в 24 месяца. Прогноз оказался на удивление точным и действует до сих пор. Именно развитие микросхем позволило нам существенно улучшить звучание ЦАП с 1998 года до сегодняшнего момента».

   Выступление Роберта Уоттса было основной частью презентации и по количеству полученной информации напомнило мне лекции по электронике и программированию, которые я слушал в университете.

Теория Роберта Уоттса
    «Основная проблема цифрового звука — временные характеристики. Человеческий мозг определяет тембр инструмента и объем звуковой сцены по форме и времени возникновения звукового импульса. Оцифровка аналогового звука происходит дискретно, например, каждые 22 мкс. АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) не знает, что происходит с сигналом между этими моментами времени, эта информация не сохраняется.

Роберт Уоттс рассказывает как из обрывочных сэмплов 
цифрового сигнала можно восстановить красивый аналоговый звук

    Если пик звукового импульса не совпадает с моментом, когда срабатывает АЦП, в цифровом виде сохраняется не сам пик, а уровень аналогового сигнала на несколько микросекунд позже этого момента. Таким образом, вместо реального пика сигнала в цифровом виде мы получаем пик меньшей высоты и смещенный вперед во времени. Человеческое ухо чувствительно к таким искажениям, поэтому задачей ЦАП является восстановление исходной временной характеристики сигнала.

Роберт Уоттс — представитель крайне редкой профессии, он программист ЦАПов

    Теория цифрового звука говорит нам о том, что интерполяционный фильтр способен идеально восстановить форму аналогового сигнала. Речь идет, конечно, о фактически бесконечном количестве процедур интерполяции, но так или иначе, нет никаких теоретических препятствий к тому, чтобы идеально восстановить форму и временные характеристики исходного аналогового сигнала, а значит, мы можем реализовать это на практике».

Роберт Уоттс: «Обычный цифровой фильтр в ЦАП класса High End имеет 8-кратную передискретизацию, а это значит, что скорость обработки сигнала составляет 2 микросекунды. В ЦАП DAVE происходит 256-кратная передискретизация, что даёт точность 0,86 наносекунды (он более чем в 2000 раз быстрее — примечание редакции). Ни один существующий цифровой фильтр не работает на такой частоте»

Пойти до конца
    Практическая реализация DAVE затянулась фактически на шесть лет, работа над ним началась одновременно с выпуском предыдущей модели HUGO. Была разработана новая аппаратная часть цифрового фильтра на более современных микросхемах с производительностью в 10 раз выше, чем у HUGO, после чего велись работы по улучшению остальных частей схемы и отладке ПО.
    Архитектуру любого ЦАП Chord Electronics можно условно разделить на два блока: интерполяционный фильтр, восстанавливающий цифровой сигнал и формирователь шума, в котором цифра преобразуется в аналоговый вид. Изначально работа велась именно на уровне цифрового фильтра. Многократная интерполяция обеспечивалась параллельной работой 166 DSP-процессоров, эмулированных в микросхемах ПЛИС. В результате частота обработки повышалась сначала до 256 операций в секунду, а перед подачей обработанного цифрового сигнала в формирователь шума частота увеличивалась до 2048 Гц. Если сравнить возможности DAVE с любым ЦАПом даже класса High End, по собранным на стандартной микросхеме, то разница в глубине обработки цифрового сигнала составит несколько порядков. И можно сказать, что во столько же раз ближе к исходной получается итоговая форма аналогового сигнала.

Отработка прямоугольного импульса и синусоиды (два верхних графика) 
практически идеальны при минимальной разнице между каналами

При измерении джиттера (красный график) и двойного импульса 19 и 20 кГц (синий график) фоновый шум на отметке –170 дБ принадлежат не ЦАП, а лабораторному прибору. Джиттер ЦАП оказался за пределами чувствительности приборов

    Но и на этом перфекционизм Роберта Уоттса не иссяк. В схеме прототипа DAVE изначально использовался формирователь шума, заимствованный у предыдущей модели ЦАП HUGO, но Уоттс начал экспериментировать с повышением коэффициента сигнал/шум, который изначально составлял 120 дБ.
    «Теоретически от подобных действий слышимой разницы быть не должно, — пояснил Роберт. — Я постепенно увеличивал соотношение сигнал/шум и получал вполне ощутимый прирост качества — более точную и естественную звуковую сцену. Эти эксперименты продолжались довольно долго, и в итоге я остановился на цифре в 350 дБ. С практической точки зрения это значит, что у преобразователя нет ограничения на минимальную величину сигнала. Те мельчайшие звуки, которые маскировались шумом устройства, стали слышны. Если бы кто-то сказал мне раньше, что соотношение сигнал/шум 350 дБ имеет смысл и даёт слышимый эффект, я счел бы это безумием. Но оказывается, человеческое ухо способно реагировать на столь тонкие изменения в звуке». В итоге выход DAVE был сформирован 20-элементным ЦАП Pulsе Array и формирователем шума второго порядка с максимальным соотношением сигнал/шум.

Вряд ли мы это услышим, но можем хотя бы увидеть на графике как ЦАП DAVE воспроизводит импульс громкостью –301 дБ. Заметьте, что шумы начинают нарастать за пределами 20 кГц и поднимаются с –340 до –200 дБ только к 100 кГц

    Роберт привёл в качестве примера результаты измерений, показывающие, что при столь низком соотношении сигнал/шум ЦАП эффективно воспроизводит сверхтихие звуки с уровнем –301 дБ. Кроме того, искажения, нарастающие с повышением частоты, проявляются только за диапазоном слышимости, и на отметке 100 кГц уровень шума по-прежнему рекордно низок: –200 дБ. Цифры снова получаются космические, выходящие далеко за пределы привычных коридоров измерений. Самый лучший мультибитовый или DSD-ЦАП не могут обеспечить такие характеристики.

Пока Уоттс рассказывал о технологиях, задействованных в ЦАПе, Джон Франкс сел рядом со зрителями, достал смартфон и занялся проектированием электронной схемы

    И что в итоге? Во-первых, Chord Electronics — те немногие, кто имеют полное право использовать в рекламе своих устройств превосходные степени. Формулировки типа «самый лучший в индустрии» или «самый высокопроизводительный» в данном случае есть инженерный факт, подкреплённый вполне конкретными, реальными измерениями. Во-вторых, новый ЦАП DAVE действительно очень хорошо звучит.

Особенность конструкции корпуса ЦАП Chord DAVE такова, что в любой системе он будет на высоте. Во всех смыслах этого слова

    Не берусь оценивать на слух реальный уровень соотношения сигнал/шум, но могу сказать совершенно точно, что обещанная разработчиками объемная, точно проработанная сцена, совершенно исключительная прозрачность и детальность, а также общая музыкальность в характере DAVE присутствуют в полной мере. В-третьих, я чуть не забыл упомянуть одну немаловажную деталь: новый ЦАП это, в общем-то, не совсем ЦАП, а цифровой предусилитель с большим количеством входов и регулируемым выходом. К тому же в нём имеется весьма достойный усилитель для наушников.
    И да, дизайн у Chord Electronics по-прежнему космический.