Компьютер как музыкальный сервер (начало)

Вопросы и комментарии посетителей сайта

2. Использование интерфейса USB для вывода звука

В последние годы всё большее распространение получает использование  интерфейса USB для вывода звука с компьютера. Неоспоримое удобство такого способа подключения компьютера к звуковой системе через внешний ЦАП подкрепляется расширяющимся выпуском цифроаналоговых преобразователей, оснащённых так называемым «асинхронным USB».

И это не просто модное увлечение любителей цифрового звука, а действительно серьёзный способ получения достойного цифрового источника (даже и высококачественного, при определённых условиях) в виде связки компьютер+ЦАП.

Правда, некоторую неопределённость вносит вопрос: почему же производители музыкальных серверов/цифровых проигрывателей класса high-end устанавливают на свои изделия цифровые выходы S/PDIF (RCA, BNC, оптический) и AES/EBU (XLR), а не используют возможности популярного интерфейса USB? Постараемся прояснить ответ на этот вопрос.

Основное различие между стандартами соединения компьютера и ЦАПа, S/PDIF и AES/EBU, с одной стороны, и USB – с другой, лежит в способе передачи данных. В первом случае данные от компьютера, с помощью соответствующего интерфейса, передаются на ЦАП в виде непрерывного потока, то есть в том виде, который они приобретают после программного проигрывателя. Во втором случае, в соответствии с протоколом передачи данных через USB, поток данных вначале разбивается на пакеты, а затем уже передаётся на вход USB ЦАПа, в котором он должен снова приобрести вид непрерывного потока перед цифроаналоговым преобразованием.

В передаваемых через USB-соединение пакетах данных, кроме данных, соответствующих звуковой информации, присутствует также информация конфигурирования, управления и состояния.

Спецификацией универсальной последовательной шины USB определены различные типы синхронизации при передаче информации от хоста (компьютера) к периферийному устройству (в данном случае – к ЦАПу). На начальном этапе использования USB для вывода звука с ПК широкое распространение получил так называемый адаптивный тип, технически связанный с микросхемами серии PCM270x компании Burr-Brown (Texas Instruments) из США.

Однако этот тип USB-соединения не мог обеспечить высокое качество звука, так как вызывал повышенный уровень джиттера. Кроме этого, преобразователи с USB-входом на базе микросхемы PCM270x, действующие в адаптивном режиме, могли работать с частотами дискретизации не выше 48 кГц и разрядностью до 16 бит, то есть могли обеспечить качество уровня компакт-диска, но не высокого разрешения.

После нескольких этапов развития технологии передачи цифрового звука через USB  в 2004 году компанией Wavelength Audio (США) был выпущен первый ЦАП, использующий асинхронный тип передачи данных. Преобразователь и необходимое для его работы ПО под названием Streamlength были разработаны Гордоном Ранкиным (Gordon Rankin). С тех пор асинхронный тип работы USB-интерфейса  утвердился как основной для передачи музыкального сигнала от компьютера к ЦАПу, а ПО Streamlength для асинхронного USB используется во многих высококачественных ЦАПах, в том числе таких компаний, как Ayre,  Aesthetix, Grace Design, Berkeley Audio Design и др. В настоящее время большинство выпускаемых цифроаналоговых преобразователей, которые оснащены интерфейсом USB для соединения с компьютером, работают по такому принципу.

В отличие от адаптивного, асинхронный тип работы USB-интерфейса для передачи звука является технически более совершенным, т.к. при его реализации происходит не только передача пакетов данных от компьютера к ЦАПу, но и осуществляется обратная связь с компьютером таким образом, чтобы управлять процессом этой передачи данных. Компьютер и ЦАП работают в этом случае согласованно, как связанные устройства.

Интересно, что асинхронный USB был выполнен на основе микросхемы TAS1020B, которая выпускалась одновременно с упомянутой PCM270x. USB-контроллер TAS1020B представляет собой интегральную схему с USB-трансивером, микропроцессором, буфером памяти и интерфейсом I²S для подключения к микросхеме цифроаналогового конвертера. В качестве примера на рис. 2 представлена блок-схема ЦАПа на базе USB-контроллера TAS1020B.

Рис. 2

В этой схеме ЦАПа с асинхронным USB тактовый генератор частоты дискретизации расположен в оптимальном месте – непосредственно рядом с микросхемой цифроаналогового конвертера. Это позволяет обеспечивать работу конвертера от потенциально более точного генератора, не полагаясь на использование нестабильного тактового сигнала из компьютера. И действительно, такая схема расположения высокоточного генератора, наряду с другими особенностями асинхронного типа USB-соединения, обеспечивает наименьший уровень джиттера и, соответственно, наилучшее качество звука. По сравнению с адаптивным типом, в асинхронном USB джиттер снижается на два порядка (в 100 раз!).

Добавим, что для работы преобразователя с асинхронным USB с сигналами выше 96 кГц/24 бит от ПК, оснащенного ОС Windows, потребуется специальный драйвер. Для компьютеров Apple, поддерживающих спецификацию USB Audio Class 2.0, такой драйвер не нужен.

Первые ЦАПы Wavelength Audio с асинхронным USB могли преобразовывать сигналы ВР с частотой дискретизации до 96 кГц и разрядностью до 24 бит. В настоящее время выпускаются цифроаналоговые преобразователи, в том числе и для бытового использования, которые поддерживают частоты до 384 кГц и разрядность до 32 бит, что соответствует самому высокому формату профессиональной цифровой звукозаписи. Кроме этого, в последнее время всё более широкое распространение получают музыкальные цифровые записи формата DSD, сигналы которых могут подаваться на ЦАП также через порт USB. Не так давно, в 2012 году, специально для этой цели был разработан открытый стандарт DoP (DSD over PCM) – метод для передачи DSD-аудио с помощью ИКМ фреймов. Описание последней версии 1.1 этого стандарта на англ. яз. можно найти здесь.

Производители ЦАПов предлагают широкий выбор устройств с асинхронным USB стоимостью от 3 тыс. руб. до астрономических цен с семизначными числами. Чтобы как-то сориентироваться в этом разнообразии преобразователей различного технического и ценового уровня, попробуем определить, каким требованиям должен отвечать ЦАП, чтобы можно было сказать, что он выдаёт звук действительно высокой точности. Отметим некоторые из таких характеристик, связанных с входным интерфейсом USB:

1. Высококачественная микросхема USB-контроллера.
2. Использование гальванической развязки.
3. Соответствие спецификации USB Audio Class 2.0.
4. Высокоточный тактовый генератор с низким уровнем джиттера.
5. Использование качественно выполненных драйверов.
6. Совершенная схема питания. Раздельные стабилизированные линии питания для USB-контроллера, конвертера и аналоговых цепей, а лучше – с отдельным трансформатором для каждой из них.
7. Высококачественная микросхема цифроаналогового конвертера.

Конечно, все вместе перечисленные характеристики встречаются только в самых совершенных (и часто –  дорогих!) ЦАПах. Однако можно сказать, что если преобразователь не обладает ни одной из таких характеристик, то вряд ли он сможет выдать высококачественный звук, если иметь в виду обработку сигналов ВР, поступающих с обычного компьютера через USB-соединение. К этому можно добавить, что качественно выполненная схема, работающая по адаптивному типу может «переиграть» некачественный ЦАП с асинхронным USB. Кстати, некоторые производители продолжают выпускать преобразователи с адаптивным USB.

 

3. USB или S/PDIF?

А теперь, переходя к вопросам уважаемых посетителей нашего сайта относительно того, может ли подключение по USB конкурировать с традиционными вариантами по качеству звука, ответим на него положительно. Да, высококачественный ЦАП с асинхронным USB в принципе может обеспечить низкий уровень джиттера цифрового сигнала и высокую точность воспроизведения звука. Вопрос перемещается в практическую плоскость, а именно: что выгоднее для любителя хорошего звука – использовать обычный ПК в паре с асинхронным USB-ЦАПом или собрать, например, музыкальный сервер и подключить его к (быть может более доступному по цене) преобразователю через S/PDIF или AES/EBU?

Ответ на этот вопрос требует знания конкретной ситуации, т.е. какие устройства и для прослушивания каких типов файлов (ВР или уровня качества компакт-диска) будут применяться, и выбор может быть в пользу как одного, так и другого варианта.

Для примера мы сравнили два варианта звучания музыкального сервера «ПК Аудиофил II» – при подключении через S/PDIF и асинхронный USB – в паре с ЦАПом Cambridge Audio DacMagic Plus.

Подключение осуществляется с помощью USB-кабеля, на одном конце которого обычный разъём типа А (подключается к источнику), а на другом – типа В (подключается к ЦАПу). Сначала мы попробовали, как работает эта пара устройств в конфигурации USB Audio Class 1.0, не требующей драйверов и поддерживающей сигналы до 96 кГц/24 бит. Предварительно надо было провести новую настройку программного проигрывателя foobar2000. Для этого после включения сервера и преобразователя в окне проигрывателя нажали на File > Preferences > Playback\Output и в окошке Device выбрали строку, соответствующую подключению через USB. Несложная настройка, после которой можно сразу слушать музыку.

Услышанное нас не вдохновило, потому что звучание сервера и преобразователя никак нельзя было причислить к звуковоспроизведению высокой точности.

Переходим теперь к более совершенному, асинхронному типу работы ЦАПа DacMagic Plus с использованием протокола ASIO или WASAPI. Для этого необходимо переключить цифроаналоговый преобразователь в режим USB Audio 2.0 для приема аудиосигналов до 192 кГц/24 бит и загрузить соответствующий аудиодрайвер, который можно скачать в «Центре поддержки» на сайте Cambridge Audio. Там же можно найти подробное описание того, как в этом режиме воспользоваться ASIO или WASAPI. Хотя это описание на английском языке, оно подробно иллюстрировано, в том числе, для подключения с использованием проигрывателя foobar2000.   

Выполнив загрузку драйвера и настройку программного проигрывателя для ASIO, как указано в описании, включаем сервер на воспроизведение. Сразу стало ясно, что звучание значительно лучше, чем при использовании режима USB Audio Class 1.0. Прослушав цифровые записи различных жанров и форматов (FLAC, WAV; от 88/24 до 192/24), переходим ещё раз к оценке работы двух устройств через коаксиальный S/PDIF с использованием того же музыкального материала, как и в случае работы через USB. Проводим несколько сеансов сравнения с перерывами.

В результате: у нас сложилось однозначное мнение, что несмотря на то, что в режиме асинхронного USB с ASIO два аппарата проявили себя очень достойно, та же пара «ПК Аудиофил II» и Cambridge Audio DacMagic Plus, с использованием того же протокола ASIO, но через выход  S/PDIF (с карты Infrasonic Quartet), звучала лучше. Это выражалось, в частности, в более широкой и глубокой музыкальной сцене, где каждый из воображаемых инструментов имел точно определяемый размер и был как бы окружён воздухом, отделявшим его от других инструментов. Звучание многих инструментов, например, фортепиано, виолончели, саксофона, имело более точный, как нам кажется, тональный баланс и больше напоминало звук живого исполнения. Не лишним будет отметить также отличное звучание контрабаса – полное и хорошо артикулированное. В случае работы устройств через USB-соединение пропадала упругость и точность звучания низких частот.

 

Звуковая система, использовавшаяся при проведении прослушивания: Источник: музыкальный сервер «ПК Аудиофил II» (выходы: коаксиальный S/PDIF и USB) ЦАП: Cambridge Audio DacMagic Plus (входы: коаксиальный S/PDIF и USB) Универсальный усилитель: Maranz PM8000 (в классе А) Акустические системы: DALI Suite 2.5 Кабели: цифровой S/PDIF – QED Reference Digital Audio, цифровой USB – типичный для подключения компьютера к периферийным устройствам; межкомпонентные Ecosse Maestro MA2; акустический Acrotec 6N-S1200, сетевой Audusa-Eupen Сетевой фильтр: Belkin Pureav PF40

 

Какие выводы можно сделать из описанного сравнения? Во-первых, несмотря на использование современной технологии асинхронного USB, звучание конкретного ЦАПа может быть более качественным при подключении через коаксиальный вход S/PDIF, а не USB. И, во-вторых, грамотно собранный и настроенный компьютер на базе полупрофессиональной звуковой карты (платы цифрового вывода) может выдавать такой цифровой сигнал, который при высококачественном цифроаналоговом преобразовании позволит получить отличный звук.

Многих, возможно, интересует более общий вопрос – что лучше для цифрового звука: непрерывный поток данных через соединение типа S/PDIF (или, например, AES/EBU) или пакетная передача через асинхронный USB? Мы придерживаемся такого мнения, что, по крайней мере, в настоящее время оба варианта позволяют достичь высококачественного звучания. Всё зависит от того, какой музыкальный сервер и какой ЦАП используется. С одной стороны, различными производителями выпускается множество музыкальных серверов, в том числе класса high-end, которые через выход S/PDIF или AES/EBU выдают точный сигнал с минимальным джиттером. С другой стороны, существуют ЦАПы, асинхронный USB-интерфейс которых выдаёт такой низкий уровень джиттера, который даже трудно измерить. Звучание (к сожалению, и цена) таких цифроаналоговых преобразователей – также на высоком уровне.

Развитие технологии покажет, какой из вариантов станет в будущем более предпочтительным. А может быть, станет использоваться какой-либо другой тип подключения, пока находящийся в стадии разработки. Поживём – увидим.

 

4. Ноутбук

В последние годы на выставках аудиотехники высшего качества в составе аудиосистем всё чаще можно увидеть ноутбуки, которые используются в качестве источника звука. С одной стороны – это удобно, с другой – в полной мере отвечает общим тенденциям развития информационных технологий. А как насчёт качества звука?

Некоторые полагают, что использование в ноутбуке автономного аккумуляторного питания позволяет, по аналогии с другими аудиокомпонентами, улучшить качество звука. К сожалению, этого не происходит. Во-первых, независимо от типа питания, электронная схема ноутбука, как и любого ПК, сама является источником необходимых компьютеру импульсных синхронизирующих сигналов различной частоты (для процессора, ОЗУ, интерфейсов USB, Wi-Fi и т. п.) и вредных помех, вызывающих увеличение джиттера (см. главу 1 этой статьи). Кроме этого, миниатюрность ноутбука приводит к тому, что, с одной стороны, возрастают перекрёстные помехи, а с другой – используются не самые оптимальные (для звука) схемные решения и компоненты. Поэтому получить качественный звук со встроенных аналогового или цифрового выходов (S/PDIF и HDMI) не удаётся.

Остаётся выводить цифровой аудиосигнал через выход USB и подавать его на ЦАП, оснащённый высококачественным интерфейсом, работающим в асинхронным режиме.

Но это не единственный способ повысить качество сигнала, извлекаемого из малогабаритных компьютеров. В последние время широкое распространение получили конвертеры USB-S/PDIF, позволяющие переводить цифровой сигнал из пакетной формы в потоковую для последующего преобразования с помощью внешнего ЦАПа. А зачем, спросите вы, нужно такое преобразование, если существуют ЦАПы с USB-входом, в том числе, с асинхронным режимом? Однако не все ЦАПы имеют такие входы и не все «умеют» работать через USB качественно. Кроме того, важен фактор портативности и удобства, особенно в случае использования такого устройства вместе с ноутбуком.

Конвертер USB-S/PDIF не просто переводит одну форму цифрового сигнала в другую. Он имеет и другую важную функцию: работая в асинхронном режиме передачи данных, конвертер использует свой генератор тактовых импульсов, как и в схеме ЦАПа, описанной выше (см. рис 2). Отличие между двумя устройствами заключается в том, что в ЦАПе сигнал после USB-контроллера поступает на цифроаналоговое преобразование, а в конвертере – на интерфейс S/PDIF, а уже затем – на ЦАП.

Необходимо отметить ещё одну особенность конвертеров USB-S/PDIF – большинство из них использует питание 5 Вольт, поступающее от компьютера. А это, к сожалению, приводит к негативным последствиям для качества звука, т. к. через провода питания и заземления передаются помехи. Надо учитывать также, что интерфейс S/PDIF тоже вносит некоторый дополнительный джиттер, который может ещё возрастать по причине некачественного питания.

Нами были опробованы в работе несколько конвертеров USB-S/PDIF. Можно сказать, что все они дают звук лучше, чем в случае использования собственных выходов ноутбука. Однако, и этот звук не может быть признан высококачественным, если оценивать такие его характеристики, как глубина звуковой сцены, микродинамика и детальность.

Отметим, что существуют специальные USB-переходники, которые подключаются на входе конвертера и разделяют питание и сигнал, давая возможность конвертеру получать питание от другого, более качественного источника. Один из примеров такого переходника – BPM (Battery Powered Module – русск.: модуль батарейного питания) австралийской фирмы Elijah Audio (на фото слева). Использование ВМР даёт реальный, слышимый выигрыш в качестве звука, ещё раз подтверждая вывод о том, что помехи, возникающие в конвертерах USB-S/PDIF в результате использования питания от ноутбука, сильно влияют на звук.

С другой стороны, выпускаются также конвертеры, имеющие собственный, высококачественный блок питания, и показывающие прекрасные результаты работы. Однако стоимость таких конвертеров немаленькая, может доходить до 1900 долл. США, и возникает резонный вопрос: а не лучше ли приобрести более качественный ЦАП с асинхронным USB, чем тратиться на дорогой конвертер?

Ещё один способ выведения звука с ноутбука – применение малогабаритного ЦАПа, подключаемого к выходу USB и имеющего выход на наушники. Здесь разработчики достигли удивительных результатов в отношении миниатюрности устройств. Достаточно, в качестве примера, привести ЦАПы AudiioQuest DragonFly и M2Tech HiFace USB DAC, представленные ниже на фотографиях. Причём последний обрабатывает сигналы до 384 кГц/32 бит!

Словом, для вывода звука с ноутбука имеется большой выбор разных устройств, многие из которых, несмотря на миниатюрность, своим звучанием могут доставить много удовольствия ценителям музыки.

Заключение

В настоящее время для вывода звука с компьютера используются различные способы и устройства, позволяющие достичь требуемых пользователю результатов в разных диапазонах цен.

Однако, если говорить о точном воспроизведении звука с высоким разрешением, имея в виду бескомпромиссное качество звучания, то, по нашему мнению, можно выделить два способа получения такого звука:

а) потоковый сигнал с выхода S/PDIF (или AES/EBU) высококачественной звуковой карты/платы цифрового вывода (см., например, наши проекты ПК Аудиофил I, ПК Аудиофил II и ПК Аудиофил III);

б) пакетный сигнал с выхода USB (или IEEE 1394) при работе в асинхронном режиме с высококачественным ЦАПом или внешней звуковой картой.