高保真PCM1704解碼器的DIY歷程

諸藎鋒

很多人都覺(jué)得DIY是廉價(jià)低質(zhì)的代名詞，相反，我認(rèn)為DIY的精髓恰恰在于它是自我愛(ài)好、追求和個(gè)人理念的體現(xiàn)。我們DIY，是因?yàn)槭袌?chǎng)上沒(méi)有我們想要的東西。

DIY一臺(tái)解碼器是一個(gè)既能說(shuō)簡(jiǎn)單，又能說(shuō)復(fù)雜的任務(wù)。通常來(lái)說(shuō)，你只需要選定好解碼芯片，按照芯片廠商的參考設(shè)計(jì)便能制作出來(lái)一臺(tái)能出聲的解碼器。但是對(duì)于Hi-Fi的要求來(lái)講，這種DIY似乎沒(méi)有任何意義。筆者一直認(rèn)為，任何高保真產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，除了需要用心去做之外，一定還需要有自己的理念，自己要清楚的知道，你所設(shè)計(jì)的作品是有其獨(dú)特個(gè)性的，而不會(huì)給人“又一個(gè)××××”的感覺(jué)。

在有了自己的理念之后，另一個(gè)挑戰(zhàn)就是設(shè)計(jì)的完成度。我們看到很多DIY愛(ài)好者往往只是把DIY作品必須完成的那部分完成，其他的就不注重了。有一個(gè)著名的“二八”法則，是說(shuō)花20%的精力可以取得80%的成果，而剩下那20%的成果，則需要花80%的精力去完成。對(duì)于DIY愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，他們通常不會(huì)有足夠的時(shí)間和精力，往往獲取不到那剩下的20%的成果，以至于DIY作品的完成度普遍不高。

我想要DIY一臺(tái)解碼的想法由來(lái)已久，也就是說(shuō)，“理念”早就在腦子里扎根了。但是，我知道要做一個(gè)完善的作品，需要花費(fèi)大量的時(shí)間、精力和成本。而草草地做出一個(gè)完成度不高的作品，對(duì)我來(lái)說(shuō)似乎沒(méi)有任何意義，還不如直接買(mǎi)臺(tái)現(xiàn)成的廠機(jī)來(lái)得簡(jiǎn)單快捷。所以很久以來(lái)，我一直望而卻步。終于在2012年，我下定決心，要完成這個(gè)自己覺(jué)得有意義的項(xiàng)目。

設(shè)計(jì)方案和理念

1.主芯片的選用

首先，你需要定下核心解碼的芯片是用哪個(gè)。現(xiàn)今流行的delta-sigma結(jié)構(gòu)的解碼芯片價(jià)格便宜，性能指標(biāo)也很好，但是聲音表現(xiàn)水準(zhǔn)普遍不高，而且容易帶有數(shù)碼味。R2R結(jié)構(gòu)的解碼芯片價(jià)格昂貴，現(xiàn)在也已經(jīng)很少了。但是縱觀現(xiàn)今Mark Leviiqson、Burmester、Wadia這些領(lǐng)導(dǎo)廠商的旗艦解碼，他們幾乎達(dá)成一致，都選用了PCM1704這顆芯片，也只有這顆芯片才有足夠的潛力來(lái)達(dá)到“旗艦級(jí)”的音響效果。

2.De-glitch技術(shù)

我的本行是電子測(cè)試儀器的研發(fā)，我們?cè)跍y(cè)試設(shè)備時(shí)也會(huì)大量用到一些工業(yè)級(jí)的DAC芯片，我自己也有一個(gè)用來(lái)消除DAC瞬態(tài)干擾的專(zhuān)利電路，即de-glitch電路。

R2R類(lèi)型的DAC，在每個(gè)采樣點(diǎn)之間切換的時(shí)候都會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)干擾，也就是glitch的發(fā)生，所以R2R DAC的性能在很大程度上依賴于glitch的大小。而B(niǎo)B公司發(fā)布的PCM63和其前輩相比，多了一種當(dāng)時(shí)被稱為“Colinear”的de-glitch技術(shù)，這使得PCM63、PCM1702和PCM1704這一系列芯片成了一代經(jīng)典。

“Colinear”可以有效地消除在零電位的glitch，但是在其他區(qū)間，DAC還是有著顯著的glitch。現(xiàn)有比較成熟的de-glitch技術(shù)是track/hold電路，但是此種結(jié)構(gòu)會(huì)影響settling time，并且會(huì)產(chǎn)生一些振鈴。為此，我設(shè)計(jì)了一種“track/charge”的專(zhuān)利電路，即利用一個(gè)DAC作為主芯片用來(lái)跟隨電平，再用另一個(gè)DAC作為負(fù)芯片負(fù)責(zé)充電以完成采樣點(diǎn)與采樣點(diǎn)之間的變化過(guò)程。

3.NOS

NOS是None Over Sampling的縮寫(xiě)，也就是非過(guò)采樣。很早以前，大家就發(fā)現(xiàn)通用CD格式的44.1 Ksps的采樣率并不能很好地重現(xiàn)20-20KHz的音頻。由于采樣頻率比較靠近音頻范圍，所以對(duì)LPF的要求就比較高，人們難以設(shè)計(jì)出一個(gè)性能良好的產(chǎn)品。過(guò)采樣是一種插值的方法，通用的辦法都是用數(shù)字濾波器來(lái)進(jìn)行插值，但是數(shù)字濾波器其實(shí)并不能完美地完成這個(gè)工作，因?yàn)椴还苁悄姆N數(shù)字濾波器，其本身并不是一個(gè)完美的模型。數(shù)字濾波器在重放連續(xù)的信號(hào)時(shí)往往沒(méi)有問(wèn)題，但是在重放動(dòng)態(tài)的信號(hào)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生振鈴失真，從而淹沒(méi)一些小信號(hào)。所以，過(guò)采樣到底是丟了芝麻撿了西瓜，還是撿了芝麻丟了西瓜，這種爭(zhēng)論一直持續(xù)著。

直到后來(lái)delta-sigma結(jié)構(gòu)的DAC興起，業(yè)界才停止了爭(zhēng)論。因?yàn)閐elta-sigma結(jié)構(gòu)必須要用到數(shù)字濾波器，所以，人們無(wú)從選擇。事實(shí)上，有經(jīng)驗(yàn)的玩家都會(huì)發(fā)現(xiàn)，一款DAC的聲音風(fēng)格在很大程度上取決于數(shù)字濾波器，這個(gè)事實(shí)告訴我們，數(shù)字濾波器真的在聲音中加了一些東西，或者說(shuō)去掉了一些東西。

我的理念是盡量地還原聲音的原貌，所以，NOS成了我的選擇。通過(guò)優(yōu)化的設(shè)計(jì)，這個(gè)NOS的設(shè)計(jì)并沒(méi)有明顯地犧牲傳統(tǒng)要求的THD和SNR性能，這樣似乎得到了一個(gè)最好的平衡。在公測(cè)的時(shí)候，金耳朵們通過(guò)反復(fù)切換NOS和OS模式，也一致認(rèn)為NOS的聲音更為靈動(dòng)。

有關(guān)數(shù)字濾波器的振鈴失真可以查閱http：//en.wikipedia.org/wiki/Ringing_artifacts，這種失真現(xiàn)在還沒(méi)法被傳統(tǒng)的測(cè)試參數(shù)所體現(xiàn)，所以這也是delta-sigma結(jié)構(gòu)的解碼芯片測(cè)試參數(shù)比較高，但是聽(tīng)感不佳的原因。

4.電源

Delta-sigma結(jié)構(gòu)的DAC注重jitter。而R2R結(jié)構(gòu)的DAC注重電源。這是有道理的，因?yàn)閐elta-sigma的核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)積分器，依靠時(shí)鐘的準(zhǔn)確度換取電平的準(zhǔn)確度。R2R結(jié)構(gòu)DAC就不存在這個(gè)問(wèn)題，并且NOS的R2R DAC更是對(duì)jitter幾乎免疫。R2R的電平準(zhǔn)確度的關(guān)鍵在于電壓基準(zhǔn)，而芯片內(nèi)部的電壓基準(zhǔn)又受到了電源的影響。所以R2R結(jié)構(gòu)的DAC對(duì)于電源是有著苛刻要求的。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，采用了在國(guó)外廣受好評(píng)的walter jung的電源結(jié)構(gòu)并做出了一些改良，使得電源的噪聲能夠低于1uV。

開(kāi)發(fā)歷程

在設(shè)計(jì)方案和理念定下來(lái)之后，我就開(kāi)始著手設(shè)計(jì)。首先就是結(jié)構(gòu)，我把數(shù)字電路部分獨(dú)立地放置在一塊電路上，左右聲道的模擬板也是單獨(dú)一塊電路板，這樣可以減少數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾，也可以減小左右聲道之間的串?dāng)_。

在元件的選擇上，國(guó)內(nèi)的愛(ài)好者普遍喜歡用直插型的元件，認(rèn)為這種體積大、質(zhì)量好。但實(shí)際上，現(xiàn)代工業(yè)已經(jīng)普遍轉(zhuǎn)向貼片元件，而且一些新型的高性能元件都不會(huì)提供直插版本。所以國(guó)外的高端解碼設(shè)計(jì)現(xiàn)在也是清一色的貼片元件設(shè)計(jì)，再回過(guò)頭看我們國(guó)內(nèi)的直插元件設(shè)計(jì)，就顯得比較老套和落后。不過(guò)，貼片元件的選擇也是大有講究的，外表同樣是那么一小片，里面卻是大有乾坤。最終，我選用了美國(guó)的AVX鉭電容用做電源退耦，日本的murata的COG/NPO級(jí)別的電容用做信號(hào)處理和高頻電源退耦，電阻則采用了日本一家廠商提供的金屬薄膜電阻，此電阻性能優(yōu)異，誤差達(dá)到了0.1%。在后期的調(diào)聲過(guò)程中，我也發(fā)現(xiàn)此電阻對(duì)音色的影響非常大，大有用了“仙丹”的感覺(jué)，這也被我當(dāng)做秘密武器了。

雖然自己對(duì)此項(xiàng)目的難度早有心理準(zhǔn)備，但在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中困難還是超出了我的預(yù)期。光電路板的大改動(dòng)，重新打樣，就達(dá)到了5次，而且都是四層的高密度電路板，制作調(diào)試過(guò)程中也燒壞過(guò)很多芯片，前前后后的開(kāi)發(fā)費(fèi)用就達(dá)到了幾萬(wàn)，這我還沒(méi)將自己的時(shí)間成本計(jì)算進(jìn)去。所以，DIY一個(gè)足夠水準(zhǔn)的作品的開(kāi)銷(xiāo)是非常大的，想省錢(qián)省力又想DIY的朋友，還是要三思而后行。

整個(gè)歷程可以說(shuō)是先苦后甜，在開(kāi)發(fā)到第二版的時(shí)候，我的專(zhuān)利電路還未完成，就參加了本地?zé)训囊粋€(gè)聚會(huì)。現(xiàn)實(shí)DK的結(jié)果是殘酷的，我的高成本制作還不如另一位燒友的低成本1955解碼的效果好。幸好我沒(méi)有氣餒，而是一鼓作氣把專(zhuān)利電路完成，經(jīng)過(guò)了好幾次改版后，總算是撥開(kāi)云霧見(jiàn)日出了。

在改到第四版的時(shí)候，我已經(jīng)感覺(jué)到PCM1704聲音的表現(xiàn)比較成熟了，于是發(fā)給了一些有足夠鑒賞力的朋友來(lái)進(jìn)行一個(gè)公測(cè)，他們反映良好，都說(shuō)器材具備了高端解碼的平衡大氣的特質(zhì)，動(dòng)態(tài)和解析力表現(xiàn)突出，對(duì)于交響樂(lè)來(lái)說(shuō)是很好的利器。但是對(duì)于人聲，一些公測(cè)的金耳朵認(rèn)為還缺乏一些韻味。于是，我又進(jìn)行了一些調(diào)整，終于在第五版的時(shí)候定稿。

在第五版的電路定稿之后，我又對(duì)數(shù)字部分的一顆CPLD的DSP芯片的數(shù)字處理部分進(jìn)行了優(yōu)化，出了一版新的固件。新的固件對(duì)聲音效果的改變之大，讓參與我作品的朋友們都有些咂舌，他們?cè)榷颊J(rèn)為，解碼器的關(guān)鍵在于模擬電路，可是這次升級(jí)固件之后，他們前后一對(duì)比，就覺(jué)得換固件如換機(jī)。解碼器是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的一個(gè)設(shè)備，我們必須要意識(shí)到數(shù)字部分和模擬部分都同樣的重要，一味在模擬部分鉆牛角尖，應(yīng)該是我們國(guó)內(nèi)玩家容易犯的一個(gè)通病。

聲音表現(xiàn)

此解碼的聲音風(fēng)格以大氣平衡為主，雖然我們的設(shè)計(jì)需要獨(dú)特的理念，但最終在音質(zhì)表現(xiàn)上，解碼能達(dá)到平衡自然的風(fēng)格才是正道。很多音響設(shè)備都是太個(gè)性化，往往在表現(xiàn)某些曲目的時(shí)候可圈可點(diǎn)，但是換了曲目之后，就原形畢露。對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)，我認(rèn)為必須是以“保真”為準(zhǔn)則，如果人為地加入一些東西之后，往往會(huì)在人聲這種比較單調(diào)的曲目中得到一些討好的效果，但是在表現(xiàn)器樂(lè)的時(shí)候，就必定是顧了頭就顧不了尾，給人一種怪異不舒服的感覺(jué)。

此解碼的另外一個(gè)特點(diǎn)就是解析力非常地高。我也聽(tīng)過(guò)很多據(jù)說(shuō)是高解析力的系統(tǒng)，但它們往往給人一種高頻亮麗，但聽(tīng)不了多久就覺(jué)得耳朵比較累的感覺(jué)。個(gè)人認(rèn)為這不能算作是解析力，而是很多人所詬病的數(shù)碼味。真正的解析力，在于設(shè)備能夠體現(xiàn)每一個(gè)弱小的音符，因而在整體的表現(xiàn)上，聲音就變得飽滿圓潤(rùn)，反而會(huì)讓你忘了去注意那些細(xì)節(jié)，而去體驗(yàn)整個(gè)音樂(lè)的美感。我們有時(shí)候初聽(tīng)一套系統(tǒng)覺(jué)得要什么有什么，但是聽(tīng)不到半個(gè)小時(shí)，就會(huì)覺(jué)得有點(diǎn)累，想關(guān)掉休息一下。實(shí)際上，耳朵是不會(huì)撒謊的，這必定是有一些不正常的聲音剌入了你的耳朵。很多人覺(jué)得要耐聽(tīng)，聲音就一定要糊掉才行，其實(shí)不然，真實(shí)的聲音是最美的，我們要把真實(shí)的聲音的每個(gè)細(xì)節(jié)都還原出來(lái)，這樣才是真實(shí)的、舒服的美感。

最后，我把自己的這件作品取名叫T，REX，英文就是霸王龍。你可以想象一下一頭壯碩的霸王龍，跳著輕柔優(yōu)美的舞蹈。這有點(diǎn)惡趣味，不過(guò)我更想表達(dá)的意思是，一個(gè)壯碩的系統(tǒng)最終呈現(xiàn)出來(lái)的音樂(lè)效果是細(xì)膩而又有音樂(lè)味的，真是舉重若輕啊。前段時(shí)間有朋友說(shuō)他的系統(tǒng)有點(diǎn)干，想用油浸的信號(hào)線來(lái)油潤(rùn)一下，我回答他一句，你的電源線這么粗，聲音當(dāng)然也會(huì)很粗。我希望借這個(gè)解碼的設(shè)計(jì)、名字以及表現(xiàn)，啟發(fā)燒友們對(duì)“吃啥補(bǔ)啥”的理念做出一些反思。