totaldac

Principes techniques

DAC à composants discrets:
Après avoir passé beaucoup de temps sur des puces DAC, l'une des meilleures étant le pcm1704 j'ai commencé par écouter un DAC discret R2R et de simples résistances 1%, la musicalité bien meilleure mais il restait un manque de précision. J'ai alors passé des années et beaucoup de versions de circuits imprimés à l'améliorer pour finir par utiliser des résistances 0.01% VAR Bulk Metal® Foil de Vishay Foil Resistors malgré leur prix et plusieurs autres améliorations dans le programme du FPGA.

resistances Vishay VAR

Horloge et FIFO anti-jitter:
Le jitter a aussi beaucoup d'influence sur le son. Il est lié au drive utilisé, à l'horloge du système et au DAC. Les sources actuelles sont parfois des ordinateurs, il fallait donc faire un DAC le moins sensible possible au jitter de la source. La solution classique c'est l'horloge externe mais elle demande à la source d'avoir une entrée reclocking, que seuls de rares appareils de studio ont, or je voulais faire un DAC qui fonctionne avec toutes les sources et tous les logiciels si un ordinateur est utilisé. La seule solution que j'ai trouvée est une solution rarement utilisée et en général sur des appareils hifi haut de gamme basés sur des FPGAs. Il s'agit d'utiliser une grande mémoire tampon qui va stocker plus de 10 millisecondes de musique au rythme de la source de musique, puis la musique sort de cette mémoire au rythme d'un oscillateur local innovant. Un récepteur SPDIF comme le CS8412 ou le CS8416 fonctionne déjà de cette manière par contre la commande de l'oscillateur varie très vite, recopiant ainsi une grande partie du jitter de la source sur l'horloge du système. Les circuits récepteurs SPDIF sont obligés de suivre rapidement le rythme entrant parce qu'ils ont un délai de latence court, 80 nanosecondes pour le CS8416. La carte TOTALDAC, elle, a un délai de latence environ 100000 fois plus long, de l'ordre de 10 millisecondes.

Filtre de compensation FIR:
Les DACs sans sur-échantillonnages sont réputés pour leur musicalité, par contre ils ont un défaut, leur réponse en fréquence descendante qui va jusqu'à perdre plus de 3dB à 20KHz. C'est ce qui est appelé la perte en sinus(x)/x. Les DACs à sur-échantillonnage compensent cette perte dans leur filtre de sur-échantillonnage. Sur la carte TOTALDAC je n'ai pas mis de sur-échantillonnage parce que je préfère le son ainsi, par contre j'ai mis un filtre FIR (sans déphasage) dans le FPGA pour compenser cette perte en aigu. Ce filtre FIR ne travaille que sur les hautes fréquences, ces ondulations avant impact sont donc très courtes et ne posent pas de problème à l'écoute.

Les réponses en fréquence suivantes montrent l'efficacité du filtre FIR à la fréquence d'échantillonnage de 48KHz.

reponse avec et sans filtre FIR

Signal carré de 820Hz échantillonné à 44.1KHz sans filtre FIR de compensation d'aigu:

signal carré sans FIR

Aucune oscillation n'est présente, c'est le fonctionnement en pur DAC NOS. Le plateau complètement horizontal confirme aussi la bande passante à 0Hz du DAC.

Signal carré de 820Hz échantillonné à 44.1KHz avec filtre FIR de compensation d'aigu:

signal carré avec FIR

Lorsque le filtre FIR de compensation d'aigu est activé, des petites oscillations de filtrage numérique apparaissent mais leur amplitude et leur nombre sont très petits par rapport aux DACs habituels. C'est en partie ce qui explique le son naturel du DAC.

Alimentations:
Pour un rapport signal sur bruit optimum l'alimentation a été mise dans un boitier externe. Tous les régulateurs de tension pour la partie audio a été réalisée en discret (pas de circuit intégré), pour en reculer le plancher de bruit au plus bas.

Contrôle du volume:
Après avoir réalisé de nombreux types de contrôle de volume (potentiomètres divers, relais, shallco et moteur pas à pas, LDR...)
c'est le contrôle de volume numérique réalisé dans le FPGA du DAC d1 sur 69 bits qui a été sélectionné.
C'est la seule solution qui permet de ne pas "entendre" le composant qui ajuste le volume.
Cele ne veut pas dire qu'un préampli ne peut pas encore améliorer le son, par exemple des clients utilisent le contrôle de volume du DAC tout en utilisant leur préampli Shindo avec le bouton de volume fixe.

N'améliorez pas que la source!

Beaucoup d'enceintes haut de gamme ont un haut parleur de grave, intégré ou sous forme de subwoofer externe.

La situation habituelle est la suivante. Un ampli et son cable HP contrôlent une enceinte.
Le filtre intégré dans la caisse de grave sélectionne les fréquences graves seulement en utilisant au moins une inductance qui a le désavantage de présenter une impédance d'attaque du haut parleur de grave ainsi que des effets microphoniques et d'autres non linéarités, ce filtre ne peut donc pas être complètement transparent.
Le filtre dédié à la partie médium/aigu de l'enceinte contient en général au moins un condensateur, connu pour avoir des limitations à l'écoute, c'est pourquoi certains condensateurs coûtent très chers, mais ils restent une limite qualitative et ne sont pas non plus complètement transparents.

Cinq étapes sont possibles pour améliorer un système multi-voie:

1-le bi-cablâge

Un cable est utilisé pour l'enceinte médium/aigu et un autre câble est utilisé pour l'enceinte de grave, le tout à partir d'un seul ampli. L'impédance et autres caractéristques du câble n'intéragissent donc pas entre l'enceinte de grave et l'enceinte de médium/aigu. Le son s'en trouve un peu plus intelligible.

2-la bi-amplification

Un ampli est utilisé pour l'enceinte de grave et un autre ampli est utilisé pour l'enceinte de médium/aigu. Le courant nécessaire pour le grave et son retour vers l'ampli ne va plus interagir en intermodulation dans le médium/aigu. Toutes les fréquences sont envoyées vers l'enceinte de grave dont le filtre va sélectionner uniquement les fréquences graves. Même chose pour les fréquences médium aigu. Environ la moitier de la capacité en puissance des ampli va ainsi être gaspillée.

3-le filtre actif analogique

Les filtres passifs des enceintes sont supprimés et leurs effets indésirables disparaissent. Les ampli sont directement reliés aux bobines des haut-parleurs. Cela permet aussi de retirer toute électronique active suspecte d'un caisson de grave et son éventuel ampli intégré peut-être remplacé par un bon ampli hifi externe.
L'ampli a mainteannt un contrôle maximum de chaque haut-parleur et aucune puissance n'est gaspillée.
Inconvénient: les filtres actifs utilisent des composants comme des condensateurs, ampli-ops etc... qui ne sont jamais complètement transparents.

4-le filtre actif numérique

Cette fois le filtrage est réalisé en calcul numérique plutôt que d'être réalisé par des composants analogiques. Il sera donc aussi possible d'utiliser des retards numériques sur le grave ou sur le médium/aigu, chose impossible avec un filtre analogique actif ou passif.
Malheureusement la plupart des filtres sont plutôt de culture informatique, avec une bonne interface utilisateur mais des performances en terme de jitter et de sortie analogique moyennes, ils ne sont pas au niveau de la hifi high-end et de tels système vont souvent sonner moins bien que l'enceinte d'origine avec ses filtres passifs intégrés.

5-le filtre actif numérique intégré au Totadaldac

Maintenant le filtre est réalisé par calcul numérique avec aucun composant supplémentaire ni conversion supplémentaire par rapport au DAC Totaldac d1-dual seul. Tout le filtrage est réalisé dans le DAC Totaldac en ne dégradant rien dans le son d'origine, seul des calculs sous très haute résolution 69bits sont ajoutés dans le processeur qui était déjà en activité dans un Totaldac sans filtre actif. Un système utilisant le Totaldac comme filtre va donc supprimer toutes sortes de limitations du système (les filtres des enceintes, l'ampli commun au grave et au médium/aigu, le câble commun au grade et au médium/aigu...) sans ajouter de composant non transparent comme un filtre actif analogique ou un filtre actif numérique externe.
Il va aussi être possible d'utiliser des délais numériques pour ajuster au mieux la réponse impulsionnelle, parfois mieux même que ne l'aura jamais fait le fabricant de cette enceinte. Le réglage optimum pourra aussi être fait dans votre pièces, pour les autres éléments de votre système et éventuellement pour vos gôuts, le tout à la télécommande depuis la position d'écoute! Cette approche, combinée à l'un des meilleurs DACs existant est probablement unique.

Le Totaldac D2-dual est un filtre actif numérique 2 voies, il separe le grave du medium/aigu Il peut être monté avec l'option dual DAC pour le canal de médium/aigu.

Plusieurs d1-dual peuvent aussi être associés pour faire un filtre actif deux, trois ou quatre voies à performances extrêmes.

Filtre actifs
Le DAC utilise une technologie de DAC R2R à résistances discrètes comme les produits haut de gamme de MSBtech et Lavry. Il utilise aussi une conversion discrete comme DCS, Weiss et Emmlabs. D'autres utilisent aussi le principe R2R mais sur puce comme Zanden , Audio Note ou d'autres DACs à TDA1541 , PCM1702 ou PCM1704 .

Par rapport à un filtre actif BSS FDS-366 ou FDS-388 ou Behringer DCX2496 la carte TOTALDAC a été créée pour une application uniquement de hifi sans compromis et le contrôle du volume multivoie est directement géré par la carte. La carte TOTALDAC permet d'écouter une source numérique (CD, ordinateur) avec une seule conversion numérique-analogique, c'est déjà si difficile à bien faire, mais aussi sans aucune conversion de fréquence d'échantillonnage, ni synchrone ni asynchrone. Ces conversions simplifient la conception des produits mais peuvent dégrader le son. Plutôt que de transformer toute source numérique en 96KHz/24bit la carte TOTALDAC recalcule ses coefficients de filtres et ses délais pour directement s'adapter à la nouvelle fréquence d'échantillonnage.


Mesures
J'utilise divers matériels de mesure mais pour la mesure du bruit j'ai réalisé mon appareil qui permet d'avoir une limite de bruit plus basse que l'analyseur audio R&S que j'utilisais précédemment. J'ai beaucoup appris en réalisant cet analyseur, cela m'a aidé à optimiser le bruit du d1-dual.

Ses performances laissent encore de la marge de mesure sur le DAC d1-dual (0dB à 3.3Vrms). Le pic de -162dBr correspond à un niveu de seulement 0.025µVrms.

TOTALDAC noise analyser



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