骨灰級(jí)音響發(fā)燒友如何打造隨身DAC兼耳擴(kuò)？

Chord電子產(chǎn)品Hugo，一種專為骨灰級(jí)音響發(fā)燒友打造的電池供電的隨身DAC兼耳擴(kuò)，使用賽靈思 Spartan-6 FPGA.(使用了1/2的單元)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)32位、26K抽頭的WTA插值濾波器，為音樂愛好者創(chuàng)建了通往音樂天堂的階梯。正如Audiostream.com 網(wǎng)頁評(píng)論所說,抽頭長度越長,就越接近數(shù)學(xué)的完美…

Audiostream網(wǎng)頁評(píng)論同時(shí)還指出，低功耗的Spartan-6 FPGA使得Chord Hugo的尺寸減少到巴掌大小20x100x132mm，重量減少到只有0.4kg，然而一次完整的充電卻可以續(xù)航10小時(shí)。

Hugo 雖然小，但是卻仍能容納多個(gè)數(shù)字輸入接口，包括Toslink光纖端子，同軸SPDIF接口、driverless USB接口（16bit/48khz），以及高清(HD)USB接口(32bit/384KHZ以及DSD128) 。同時(shí)還有一個(gè)無線藍(lán)牙接入功能。模擬輸出包括兩個(gè)3.5毫米耳機(jī)插孔,一個(gè)6.35毫米耳機(jī)插孔(1/4英寸),和一對(duì)RCA立體插孔。

專門負(fù)責(zé)完整音頻檢測(cè)報(bào)告的Chris Martens 引用Chord的CEO兼高級(jí)工程師John Franks 說的一句話：“如果沒有Spartan-6 FPGA ,很難讓Hugo DAC既高端大氣上檔次并且還如此輕便，即使是臺(tái)式機(jī)也很難做到（因?yàn)樗碾姾艽蠖曳浅１恐兀?rdquo;。如果你不是團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)，26K抽頭的音頻濾波器確實(shí)有點(diǎn)恐怖（大多數(shù)音頻DAC可以實(shí)現(xiàn)150個(gè)抽頭濾波器而且最大的商業(yè)級(jí)DAC也只能提供256抽頭的濾波器，可以參考Chord 電子官網(wǎng)頁面關(guān)于DAC技術(shù)），但是追求極致的抽頭長度是為產(chǎn)生更加干凈的聲音，如此便能吸引更多高端的音樂發(fā)燒友。

26k抽頭WTA音頻濾波器的背后的原理是什么呢？首先，WTA是（Watts 瞬間對(duì)齊）的簡稱，并且這個(gè)“Watts”就是指Robert Watts，一位著名的DAC設(shè)計(jì)專家。Watts 最初開發(fā)這個(gè)基于FPGA的濾波器的技術(shù)源于2002年Chord的一款叫做DAC64的產(chǎn)品。根據(jù)Watts 2014年6月發(fā)表在英國的音響精選雜志所述（轉(zhuǎn)載自Chord電子官網(wǎng)頁面）“早在80年代，當(dāng)我還是個(gè)電子專業(yè)的大學(xué)生時(shí)，我就意識(shí)到插值濾波器從過去一直使用到現(xiàn)在，有其固有的局限性并且有非常嚴(yán)重的時(shí)序問題。這是基于抽樣理論研究，它清楚地表明，完美復(fù)制一個(gè)采樣帶寬有限的信號(hào)需要一個(gè)無限長度的濾波器。使用傳統(tǒng)的濾波器（大約100個(gè)抽頭），將有嚴(yán)重的時(shí)序問題。我同時(shí)也知道，通過研究聽力，耳朵或者大腦可以處理4us的時(shí)序，但是CD只能精確到22us，這個(gè)丟失的時(shí)序可以由插值濾波器重建”

這有更多關(guān)于WTA插值濾波器的內(nèi)容：Chord 電子的DAC技術(shù)網(wǎng)頁

“它解釋了為什么采樣率越高聲音質(zhì)量越好，眾所周知，96KHZ（DVD 音頻）的錄音聽起來要比44.1KHZ（CD）的錄音要好。大多數(shù)人認(rèn)為這是由于存在的超聲波信息可以被聽見，即使人類最佳聽覺是限制在20khz。但是眾所不知的是768khz的錄音音質(zhì)比384khz要好，并且音質(zhì)受限的采樣區(qū)域在MHZ”

768khz錄音不好聽的一個(gè)重要的原因是當(dāng)信息超過200khz，不僅樂器、麥克風(fēng)、功放和喇叭不工作在這個(gè)頻段，而且人類也無法聽見這個(gè)聲音。所以假設(shè)沒有額外的帶寬（這點(diǎn)很重要），為什么采樣率高的聲音聽起來更好呢？

答案是，我們雖然聽不見超聲波，但是我們卻能清晰的“聽見”這個(gè)“瞬變的時(shí)間”。很早之前我們就知道，人類的耳朵和大腦可以分辨出耳朵到微秒順序之間不同的階段的聲音。既然瞬變可以在微秒級(jí)檢測(cè)到，那么錄音系統(tǒng)只需要在1微秒內(nèi)完成時(shí)序變化即可，那就要1MHZ的采樣率來完成。

然而，通過使用數(shù)字示波器，44.1khz的采樣能夠精確的完成瞬變。數(shù)字濾波能夠在一定程度上提高分辨率而不需要較高的采樣率。

為此，濾波器需要一個(gè)無限長的抽頭，目前所有重組的濾波器的抽頭相對(duì)較短，最長的商用設(shè)備也只是256抽頭。由于短抽頭和相應(yīng)的濾波算法將產(chǎn)生錯(cuò)誤的瞬變時(shí)間。這些錯(cuò)誤可以很明顯地偵聽到”

Watts 和Chord 電子十多年前就使用賽靈思 Virtex FPGA開發(fā)出了64位、1024抽頭濾波器，并且該技術(shù)在一系列產(chǎn)品上都是持續(xù)改進(jìn)的。為設(shè)計(jì)這款輕便的Hugo DAC兼耳擴(kuò)，公司后來將該技術(shù)移植到 Spartan-6 FPGA。Spartan-6 FPGA的低功耗和高散熱效率造就了這個(gè)輕便的電池供電的Hugo。雖然Spartan-6被認(rèn)為是賽靈思的低端FPGA，但是令人震撼的是，濾波器的抽頭數(shù)卻直接從1024升到26K，并且采樣率也是顯著的提高了。第二顆Spartan-6芯片在Hugo中實(shí)現(xiàn)了高性能的輸入接口。