エレクトロアートの趣味が高じたブログです
設計中の基板の検討記です。
『SACD黎明期の録音には大抵このA/Dコンバータが使われていた』 と謳われるSACDの原器のような8ch ADCが中古業務器市場に放出されていました。良い機会ですので、後学のために清水の舞台から飛び降りる気持ちでゲットしました。
外観は傷だらけ、録音現場の最前線で活躍してきたのでしょう。
空冷ファンが煩すぎるので、早速PC用の静音FANに交換しました。ボールベアリングからすべり軸受けに替えるだけでかなり騒音レベルが改善されます。
XLRのアナログ入力が8ch, そして、BNCのDSD出力が8chになります。SDIF-3/DSDRAWともにDSD128まで出力可能です。
ワードクロックはマスタとスレーブに対応。本器の出力するワードクロック(44.1kHz)によって、本器の吐き出すDSD信号を、2ch分のみですがUDA(録音版)基板は、受け止めることができます。
とりあえず、プリアンプのXLR出力を入れてレコードの録音を「楽しみました」。 レベル設定は本器ではできませんので、プリアンプのボリュームで行います。
KORGのMR-2000を2台シンクロさせて収録された素材がありますので、ワークフローを少しばかり・・・。
MR-2000はMR-Linkという機能を使って、マスターの1台からスレーブの1台にスタート・ストップのコマンドを送信して動作を「シンクロ」させることができます。これによって、2台の間で録音の開始点と終了点を「ほぼ」揃えることができるようになっています。共通のクロックで動作させれば、マルチトラックレコーダーに近い収録ができるというわけです。
実際には、マスターがRECを開始するとともにスレーブにスタート命令を出す関係上、どうしても数ms程度のずれが生じてしまうようです。
そこで、2本のステレオトラックを一旦AudioGateでwaveファイルに変換し、適当なDAW上でズレがどのくらいあるかを吟味するのが最初の作業になると考えられます。
実はやってみるとこの作業が結構難関です。開始直後に故意に何かインパルス性の大きな音を録音しておかないとかなり合わせ難いことに気が付きます。
今回の素材はそれが無いので厳密に合わせられたかどうか自信はないのですが、何とか無理やり3msのずれがあると判断し、DSDIFFファイルに戻って「調整」することにしました。
マウスカーソルをカウンターのところに持って行ってクリックし、必要な数字を書き換えてENTERキーを押し、”DIVIDE” ボタンを押すと、指定した点でDSDIFFをカットすることができます。ここでも最小はms単位となるようです。
カットが済んだら必要な方を新たなDSDIFFファイルとして書き出します。
これで、一応頭の揃った2本のステレオDSDIFFファイル(2本は、当然マイクやセッティングが異なる状況下での収録です)が用意できました。
これからいわゆる2ミックスを作るわけですが、この2本のステレオDSDIFFファイルを4chのファイルに結合します。
私が作ったtoolで4chに結合しました。
早速”PlayAudio” を拡張して作ったプログラムとUDA基板を拡張して作ったPure DSD Mixer基板を使ってミキシングを楽しみました。
DSD出力をリアルタイムに録音すれば2chにミックスされた2ミックスが出来上がるというわけです。今のところ、各chは-∞から+15dB程度までのゲインを持たせることができ、マスターのフェーダーには±6dBの調整幅を持たせています。
どうやらマルチトラックで記録するに越したことは無いように思えます。
Pure DSD ミキサーを試作してみました。現在は4chのみの対応 (2系統のステレオペアのミックス限定) ですが、状況 (ニーズ) によっては8ch対応 左右振分けまで発展が見込めれば面白いと考えています。その場合にはバルク転送でDSDRAWやSDIF-3の8ch録音まで対応させられたら、とも考えています。EQまでは規模的に無理かと・・・(汗
仕組みは、というと、PlayAudioを拡張したアプリで4chのDSDデータを再生しながら、ミックス比のデータもUDA(Mixer)基板に送って、基板上のFPGAにて、Pure DSD ミックスを行うというものです。PlayAudioは下のような感じになります。 左の2つがマスターフェーダー、右の4つが4chデータのゲイン、といった塩梅です。残念ながら回路が大きくなるので既存の基板に搭載したFPGAチップよりも規模の大きなピンコンパチのチップを搭載しないと実現できないという制約はあります (4chの場合でもすでにそんな規模になります)。
ミックス演算において値の切り捨てや丸め誤差といったものからはフリーになるという特徴があります。
現状で、4chのDSDIFFをPlayAudioにロードして再生すると、ミックスされたDSD信号がリアルタイムで出力されるという感じになっています。DSDRAWやSDIF-3で出力すれば、TASCAMのDV-RA1000HDなどでミックス後のDSDを録音することもできることになります。もちろん、UDA(DoP録音)基板をもう1セット使って別のPCに録音することもできます。
旧USB AUDIO基板で4ch録音されたファイルをお持ちで、2chのファイル2つに分割してそれぞれをPCM変換し、PCM領域で編集・ミックスするのではなく、Pure DSDミックスしたいという方や、KORGのMR-2000を複数台シンクロさせて収録した複数の2ch DSDIFFファイルをお持ちの方で、やはりDSD領域でミックスしてみたい、といったニーズが満たせるかもしれません。
すでに4chのDSDIFFを2つの2ch DSDIFFに分解する tool を旧USB AUDIO基板と同時にリリースしておりますが (つい最近Windows7対応、かつ4GB以上のファイルのサポート、を果たしております)、逆に2chのDSDIFFファイル2つを4chのDSDIFFに結合する tool など、いろいろ作っています。
かくいう私は、2台のMR-2000でシンクロ収録された素材を持っていますので、これをミックスしてみたいという目論見を持っています。
(2/20追記) 1kの正弦波と3kの正弦波をWaveGeneで生成し(wave) 、 それぞれのwaveファイルをAudioGateでDSDIFFに変換したものを4chのDSDIFFに結合し、”Pure DSD Mixer” にて”ミキシング” してみました。
PlayAudio.exeをリビジョンアップしました。
USB_AUDIO基板、USB_DUAL_AUDIO基板(2011年までの頒布版)、ならびにUDA(標準版)基板に対応するV1.40、
そして、UDA(DoP)基板、ならびにUDA(DoP録音)基板用のV1.50を、それぞれ下記のようにリビジョンアップします。
V1.40->1.41β
V1.50->1.51β
両リビジョンで4GBを超えるサイズのDSDIFFファイルの録音再生に対応することにしました。標準のwavファイルはもともと4GB以上のサイズを示すためのチャンクがありませんので、wavファイルについては対象外とします。
これにより、録音時の4GB制限も撤廃しました。4GBを超えてもそのまま録音を続行しますので、長尺の録音が可能になります。KORGのAudioGateで4GBを超えるサイズのDSDIFFを扱えることがわかりましたので、録音後のファイルの編集も可能だと思われます。
ただしWindowsでは、FAT32ファイルシステムでフォーマットされた区画においては4GBを超えるサイズのファイルを取り扱えません。必ずNTFSでフォーマットされたWindowsでお使いいただく必要があります。PlayAudioは起動時等にファイルシステムのチェックはしません。FAT32のシステムで録音中にファイルサイズが4GBを超えた瞬間に何が起こるかはわかりませんので、ご注意ください。
(2/3 AM10:00) 基板発送のご連絡メールでお知らせしております「所定の場所」に置きました。アーカイブ名は変わりません。
さて、唐突ですがクイズです。下のチャートなのですが、いったいどういった信号の波形でしょうか？
答えはまたいつか、ということでよろしくお願いします。
自分で書くのもなんですが、実にマニアックなブログです。
今年の正月休みには1bitデルタシグマ変調器のバリエーションをさらにいくつか設計していました。
チャートのように、0Hz(DC)以外に3箇所 ( 見えませんが、実際には正負対称で6箇所 ) の零点を設けたものなどを作ってみました。例によって、オーバーサンプリング比を 64 として設計し、これを256 ( PCMシングルスピード換算 ) のx4オーバークロック的なイメージで使用しますので 、ゼロ点の周波数はそれぞれ元の4倍の値に拡張された位置となります。もともとの設計仕様上は一番上の周波数でおよそ24kHzくらいになっています。ゆえにチャート上では96kHzくらいになっているでしょうか。
ちなみに、上のチャートはフルスケールの1kHzの正弦波を入れた場合を示します。右端が 5.6448MHz ということになります。ごめんなさい。本記事のデータはサンプリング周波数fs=48kHz換算での結果なので6.144MHzに訂正します(1/17)。
ついでに、400Hz/1kHz/3kHz/6kHz/12kHz/21kHz それぞれ約-120dBFS の24bitPCM正弦波マルチトーンを入れて変換してみました。極微小信号でもデジタルドメインではきれいに再現できているといえます。
時間のある時に組み込んでじっくり音を評価したいと思います。
その昔？DSD信号は抵抗１本でアナログに変換できるように言われていたことがあったように記憶しています。抵抗１本というのは極端ですが、デルタシグマのノイズを取ってしまえば残りは信号ですから、再生するのがDSD信号だけであれば、「DAC自作には市販のDACチップが必須」ということはありません。
お問い合わせを頂くたびに「近いうちに」と回答しておりましたが、私も嘘をつかずに済みそう？です。
今回、まとめて作るのに合わせて原理基板のレジストを青にしてみました。表面処理は金メッキにしてもらいました。
DSDのフィルタは、今回も変わらずに8TAPアナログFIRフィルタ＋オペアンプによるLPF、という２段構成構成にしています。
アナログのFIRフィルタに関しては、手元にあるフィルタ設計ソフトを使ってみました。
DSDは、たとえばDSD64の信号を考えた場合、1*fs(44.1kHz)くらいまではフラットに通過させたいところです。ナイキスト周波数32fsを正規化して”0.5″ とすると、fs はおおよそ1/64 = 0.0156 になります。200kHzを超えたところくらいまで通してその先はゼロ。とするのが美しそうですが、なかなかそうはうまくゆきません。
これではNGですので、ある程度それらしい遮断特性が取れるようになるまでBAND2のLOWを “200kHz 程度”から更に上にずらしてみます。
③番目、④番目あたりでどうでしょうか。ソフトに表示されている係数値は重み付けの値なので、これを電流値ととらえると、抵抗の比は逆数を計算することになります。出力が”H”のときに一番電流が流れるのは中央の2つ係数です。DFF(Dフリップ・フロップ)ICの電源を5Vで使うとして、仮にこれら2つを4.7kとすると、DFFの出力につながるこの4.7kの抵抗の他端は仮想的にGndになりますので、DFFの出力が’H’のときに約1mAが流れることになり、これでDFFのポートを壊すことは無いと考えられます。
計算すると、おおざっぱですが抵抗値はおおよそ下表のようになりました。
変調率が50%のDSD信号を入れる場合、DFF ICの出力が5V(CMOS)のとき、フルスケールで2.5Vp-pくらいのオーディオ信号が取り出せますので、 IV抵抗の値が1kΩ近辺で1段目のOPアンプの出力が2.5Vp-p程度になりそうです。
あとは自作愛好家の皆さんにはおなじみのLPFでDAC？基板ができあがります！
ちなみに、DSD128や256の場合には、FIRフィルタはDSD64の場合に対して特性は周波数比率でそれぞれ2倍、4倍の値に変化します。当然ですがそれに対してOPアンプのLPFは絶対周波数で決まります。
PCM2DSD変換基板 ( 略してP2D基板と称することにします) の出力を、DSD原理基板に入れて再生してみました( 原理基板は作り直しの第２版です )。
1kHz/20kHz (元のfs=44k1), 30kHz (元のfs=88k2), そして50kHz (同fs=176k4) の正弦波をオシロで見てみました。
基板トータルのF特はSACD用のDACと同じような感じにしてあります。
ノイズシェーパの高域ノイズはほとんど問題ないレベルに落ちています。
(特に) 1kHzの波形が歪んで見える場合はおそらく画像サイズがWeb閲覧アプリとの関係で100%からずれているはずですのでご注意ください。
この基板は単純なアナログFIRによるLPF + OPアンプによるフィルタ (DSD1794Aを使うときとほとんど同じ) で構成されており、入力された1bit DSDをマルチビットに再量子化してD/A変換、という (複雑な？) 構成ではないので、高速のDSD信号を入力したときにデジタルドメインでの問題は起きにくい（というか起きない）といえます。やっていることは原理的にTIのDSD1794Aと同じといえると思います。
この原理基板でDACを作ると、DAC ICの代わりに**74**574を4個で済むので安上がりであるというメリットもあります。
おそらくこれが最後になると考えているPCM2DSDの試作基板を本日受取りました。部品を実装して問題がなければ10月中にリリースできるかもしれません。
紆余曲折の末、デバイスはXilinxのXC3SLX9-2TQG144Cに決めました。
iPadのメモソフトで急きょ書き殴っただけですが、簡易ブロック構成図を入れておきます。上の本番基板にはI2S入力はLVDS(HDMIコネクタ)だけでなく、UDA基板の出力も直接つなげるように3.3V CMOSのコネクタを設けて選択可能にします。
また、8pinのDIPSWを実装できるようにしましたので、いくつか音質上の選択オプションを付けようかと考慮中です。
これで、これまで試作に利用していたXilinxデバイスを実装した流用基板が浮いてきますので、興味のある方に1枚貸し出しを考えています。数名の方にお一人2週間程度の期間で考えています。
あくまで、本来の目的とは違う基板を流用しているために、いろいろな制約をかいくぐっての流用ですので、本来不要な個所にPLLが入ったりとか、若干本番とは構成が異なりますが、評価には十分に値するものと思います。
希望される方が複数の場合は順番にお貸ししますので、その場合には直接当方が指定する次の方に送料元払いにてお送り頂けることが条件です（結果的に見ず知らずの方に個人情報が開示されます）。なお、UDA基板のユーザー様限定でお願いします。
HDMIコネクタ経由でI2Sを伝送する場合、UDA基板にフィデリックス社にて送信基板を装着していただいた方は、”DSD_H”フラグと、おそらく更に”SCLK”もHDMIコネクタ送信基板に追加接続する必要があると思います。一時期、当方が頒布したHDMI利用I2S送信基板をお持ちの場合は、そのまま接続して使えます。どちらもお持ちでない場合にはS/PDIFからの入力でお使い頂きます。なお、I2S接続時に必要なSCLKは22.5792/24.576MHzとします。
基板は、44.1/48/88.2/96/176.4/192kHzのPCMを、11.2MHz DSD, あるいは12.3MHz DSDに変換します。当方頒布のDSD1794A基板でご利用になれるように、DSD1794A設定用のI2C制御信号ポートが用意されています。
希望される方はメールを下さい。この週末にお申込みいただいた方の中から当方の勝手な判断基準で3～4名の方にお願いするつもりです。誠に勝手ながら、お願いする方だけに返信をさせて頂きますが、どうかご了承をお願いします。
この記事を流用してついでに連絡事項を・・・・・
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お待たせして申し訳ありません。週明け3～4日頃に次のUDA基板の頒布準備が整いそうです。
も一つおまけに・・・。
前回の記事でご紹介した”DSD 原理基板” ですが、8TapのアナログFIRでは少々遮断特性が足りない（TIのDSD DACより遮断性能は劣りそう）と書きました。オペアンプによるポストフィルタも段数が最低もう１段は欲しいので、基板としてはリリースレベルには達していません。が、実験用として十分に目的は果たせますので、欲しい方に無償で差し上げます。
だいたいの回路図（修正前の回路図をセーブし忘れ、1部のワンゲートICと、オペアンプのポストフィルタ回路が実際と異なります）はこちらです。実験用ということもあり、ご自身で定数設計をされる方にお願いします。FIRフィルタも含めて定数は開示しません (良い定数が見つかったら教えて下さるとうれしいです)。 どうかご了承をお願いします。お分けする実際の旧基板はワンゲート品のインバータとANDゲートを使っていますが、実装しずらい0.65mmピッチのものです (最終的には一回り大きいパッケージのワンゲート品に変更します)。
希望される方はメールを下さい。先着5名様にお送りします。
PCM2DSD変換回路ですが、ALteraのCyclon3デバイス(EP3C25E)に格納した回路と全く同じ回路をXilinxのSpartan6(XC6SLX9)にも格納することができました。今の基板に載せたEP3C25Eは高スペック・高コストなだけあってどうやらオーバー・クオリティーだったということになります。
EP3C25Eのままですと、コスト的に頒布は無理だろうと思っていましたので希望が見えてきました。今現在、S/PDIFとI2S(フィデリックス方式HDMI)入力端子からの信号(PCMシングルからクアッドまで)を変換できるようになっています。
さて、週末に図のようなDAC基板が届きました。 PCM1704の2パラor差動基板ではありません。
74##574を4個載せたDSD Principle DAC基板です。チャネルあたり8個のDFFを使った8TAPのアナログFIRフィルタによってDSDのノイズを落とす方式の”差動DAC”基板です。アナログ部は2個入りオペアンプを使ったシンプル、かつ見慣れたI/V+フィルタ回路になっています。
組んですぐは「なんだこれ？」という音がしましたが、コンデンサなどのエージングが進んだのか、今現在は大分こなれてきています。既存のDACチップを使った基板では聴くことのできない音が楽しめています。残念ながら、どこをどうするとどういう音になる、といった「決め打ち」ができる程のオーディオエンジニアではないので、今のところ「目くらうち」状態ではありますが、普段聞いているDSD1794Aの、どちらかというと賑やか傾向な音とはまた違った美音(鼻音？)を聴かせてくれています。
単にスペック的な話でいうと、どうやら8TAPのFIRではフィルター性能的には少し厳しいようで、アナログ段のポストフィルタ回路でもDSDの高周波ノイズをきちんと落としてやる必要がありそうです。いろいろシミュレーションしてみましたが、8TAPではDSD1794Aに搭載されているFIRフィルタには、遮断性能では及ばないようです。データシートの特性図を見る限り、単純な8TAPではないようで、何らかの工夫があると思われます。
基板上のアナログ回路は、カットオフが200kHzくらいになっていますが、DSD256でも若干DSDのノイズが残っています。DSD64になるとさらにノイズが増え、愛用のHarbeth君には突っ込みたくない感じがします。
16TAPにするとシミュレーション上はかなり楽になるので、遮断特性にこだわるなら試してみる価値は十分にあります。