Звуковая карта E-MU MOD2 с дискретным наушниковым усилителем
Максим Лядов
Наши читатели часто видят упоминание об отечественной звуковой карте, которую мы разработали для своих нужд и успешно используем с 2016 года. В этой статье мы решили рассказать об нашем проекте подробнее.
Звуковая карта полностью разработана и сделана в России. Полностью, это значит, что в разработке участвовали только российские инженеры Александр Иванов (aka REN) и Максим Лядов, схема полностью своя российская, печатная плата современная 4-слойная российская, сборка в России, планка металлическая вырезана в России. Также активно использовалась отечественная измерительная программа-спектроанализатор RMAA нашей разработки.
Посмотреть карту лично и послушать её на высококачественных мониторах HEDD и в наушниках можно, например, 25 - 27 октября 2017 на выставке профессионального оборудования и технологий NAT EXPO 2017, г. Москва, ВВЦ, павильон 75, стенд B21 "iXBT". Также мы ждём ваших комментариев под этим материалом.
Чтобы не тратить время на дорогостоящую разработку цифровой части и сразу получить продукт мирового уровня, мы взяли за основу популярную недорогую звуковую карту E-MU 1010 с удачной реализацией цифровой части и добавили к ней недостающую для наших нужд вторую половину, взамен имеющейся EM8980 с балансными разъёмами TRS. Таким образом, единственным требованием карты является необходимость иметь PCI или PCI Express версию цифровой карты E-MU 1010. Карта E-MU уже не выпускается, но в прошлом она продавалась в огромных тиражах, у многих она есть в компьютере, а кто-то избавляется от неё на вторичном рынке по не очень высокой цене.
Основная идея звуковой карты в том, чтобы использовать готовую хорошую цифровую часть с аппаратным DSP и продвинутыми драйверами и подключить только свои собственные АЦП, ЦАП, питание, наушниковый усилитель.
Выбор ЦАП CS4398 был обусловлен его популярностью в профессиональной звуковой аппаратуре. Мы были впечатлены качеством звука 4398 в таких устройствах, как Lynx E44, Lynx Hilo с очень высоким ценником. Мы являемся поклонниками инженерного творчества Боба Баумана, и купили уже несколько устройств Lynx Studio. При разработке нашей карты ориентиром была выбрана современная профессиональная карта Lynx E44 (цена 75 тыс. руб. без кабеля подключения), которая была у нас в наличии. Когда звук нашего устройства стал (как минимум) не хуже Lynx E44 именно по звуку на студийных мониторах ADAM A77X, мы посчитали поставленную задачу выполненной. Так как карта делалась для себя, а не на продажу, смысла в самообмане и аутотренинге, естественно, не было. Наоборот, сравнение было очень предвзятым и скрупулёзным, без всяких поблажек. Кстати, по заявлению американцев, Lynx E44 разрабатывалась в общей сложности 10 лет. Это реалистичное заявление, так как многим и 20 лет исследований ничем особо не помогают - звук как был на определенном среднем уровне, так там и остаётся.
В будущем неизбежен переход во всей аппаратуре, что бытовой, что профессиональной, на более новые модели преобразователей, под которые потребуется полностью обновлённая цифровая часть и драйвера. Главное, чтобы этот переход не был самоцелью, а приоритетом оставалось качество звука, а не, предположим, цифры сигнал/шум в 140 дБ, или поддержка формата DSD любым путём.
Важной особенностью карты и её резким отличием от выделенных ЦАПов на рынке является наличие качественного АЦП. Возможность оцифровки нужна не всем, но тем, кому она нужна, требуется максимально высокое качество. В нашей карте были приложены все усилия, чтобы реализовать высокий потенциал AK5394A. Шум карты при тесте вход на выход -118 дБА. Ровный спектр. Искажения при оцифровке минимальны, как у лучших студийных конверторов, Кг=0,0001-0.0002% в зависимости от чувствительности входа.
При оцифровке другого устройства вывода, обладающего более современным ЦАП, удалось получить отношение сигнал/шум 121дб при чувствительности входа 2Vrms и 118дб, при чувствительности 1Vrms.
Так как у нас стояла задача оцифровки с устройств с низким уровнем сигнала и небалансного подключения, штатная карта E-MU для этого не очень подходила. Максимальная разрядность ЦАП и АЦП там достигается при балансном подключении +20 dBu, то есть 7,7Vrms, а в режиме повышенной чувствительности входа 6 dBV, то есть 2Vrms. При подключении сигналов 1Vrms и ниже происходит потеря части динамического диапазона. Ещё одна проблема: при подключении только к Hot контакту балансного разъёма теряется половина амплитуды сигнала.
При разработке платы расширения упор делался непосредственно на АЦП, поскольку продуктов, имеющих небалансные входы такого качества, на рынке просто не существует. Были предприняты меры, для снижения собственных искажений и шумов фильтров, находящихся перед АЦП. Для этого использованы современные малошумящие операционные усилители OPA1612, обладающие сверхнизкими искажениями, с дополнительным буфером на выходе, выполненном на высокоскоростном и мощном LM6172. Установка буфера никак не отражается на стандартных измерительных характеристиках, она служит повышению субъективного качества звукозаписи, уменьшая динамические тепловые искажения основного ОУ. Сам же АЦП AK5394A включен по не совсем стандартной схеме, для устранения возможных помех, генерируемых им, находящихся на грани шумовой полки.
Короче говоря, для тех, у кого задачи сходные с нашими, новая карта может стать интереснее штатной дочки. Тем более, что в тракте предпринято намного больше усилий по сохранению качества. Никаких компонентов из мира массовых устройств, типа ОУ NJM2068 и ёмкостей Jamicon, здесь не используется. И хотя на измеряемых параметрах это сказывается не сильно, главное в аппаратуре не только параметры, но и сам звук.
Штатную аналоговую карту E-MU можно поругать за "разгон параметров". При очень высоком уровне сигнала характеристики становятся высокими. Если снизить уровень, динамический диапазон довольно сильно падает. Формально карта имеет хорошие параметры, но при реальной эксплуатации они могут просесть до средних. Хотя, мы всегда поддерживали и всё ещё хвалим инженеров E-MU, за непревзойдённое инженерное мастерство в бюджетной нише аппаратуры, к которому за 10 лет срока жизни продукта на рынке никто из конкурентов не смог даже приблизиться.
Отличительной чертой карты является полностью дискретная схема после ЦАП. Хотя в современном мире принято делать аппаратуру на операционных усилителях, это делается по причинам, не связанным с качеством звука. Большинство ОУ изначально не предназначены для звуковой аппаратуры. Самые дорогие из них служат для применения в ответственных приборах и для безотказной работы в широком диапазоне температур, от -40 до +80. Поэтому больше половины схемы дорогих ОУ может выполнять функцию компенсации паспортных параметров в тяжёлых условиях работы. Либо входные каскады ОУ рассчитаны на специфическую нагрузку, поэтому излишне усложнены. Это делается как компромисс, между качеством и специальными требованиями для промышленности и военных. Всё это, зачастую, не нужно звуку и может оказывать негативный эффект, несмотря на космическую стоимость отдельных ОУ. Таким образом, дискретная схема полностью оправдана, но лишь в случае владения темой со стороны разработчика и обязательного отслушивания большого количества вариантов при проектировании, до достижения поставленного результата. Даже если нам известно на данный момент не всё о звуке, при проектировании звуковой аппаратуры необходимо действовать глубоко научно, объединяя в своей работе анализ и синтез. Если это делается на высоком уровне, с применением измерительной аппаратуры и высококачественного контрольного звукового тракта, если имеет большой опыт, только тогда возможен положительный итог.
Текущий вариант звуковой карты - не первый вариант. То есть разработка не ведётся по принципу "как получилось, так и надо". Все мелкие недостатки начальных вариантов были выявлены за год каждодневной эксплуатации и устранены.
Определённым признанием наших достижений можно считать лицензирование разработок с нашей стороны, в качестве помощи крупной звуковой компании. Благодаря использованию нашего дискретного решения, их массовый продукт вышел в бестселлеры, зазвучал на голову выше всех конкурентов. К сожалению, мы не можем разглашать никакие подробности, так как связаны юридически обязывающем соглашением о неразглашении. Нам лишь разрешено официально говорить об оказанной помощи в разработке.
Ряд джамперов (перемычек) на плате позволяет выбрать усиление дискретного усилителя из четырёх разных значений с шагом в 6 дБ.
Отдельная перемычка служит для инверсии фазы сигнала. Инверсия производится в цифровом виде отдельной микросхемой и не ухудшает качество звука.
Отдельная перемычка рядом с RCA выходами позволяет выбрать - брать выходной сигнал стандартно, с линейного выхода или после наушникового усилителя. Эта экспериментальная функция позволит повлиять на характер звука линейного выхода, если нужно внести разнообразие.
В процессе разработки был опробован аналоговый регулятор громкости на линейном выходе. От этой затеи пришлось отказаться, так как качество звука страдает, а измеряемые параметры падают.
Перейдём к измерениям в программе RMAA.
| Testing device | 2 Vrms |
| Sampling mode | 24-bit, 44 kHz |
| Interface | ASIO |
| Testing chain | External loopback (line-out - line-in) |
| RMAA Version | 6.4.2 PRO |
| 20 Hz - 20 kHz filter | ON |
| Normalize amplitude | ON |
| Level change | -1.1 dB / -1.0 dB |
| Mono mode | ON |
| Calibration singal, Hz | 200 |
| Polarity | correct/correct |
| Frequency response (from 40 Hz to 15 kHz), dB | +0.00, -0.02 |
Excellent |
| Noise level, dB (A) | -117.6 |
Excellent |
| Dynamic range, dB (A) | 117.8 |
Excellent |
| THD, % | 0.0006 |
Excellent |
| THD + Noise, dB (A) | -100.6 |
Excellent |
| IMD + Noise, % | 0.0009 |
Excellent |
| Stereo crosstalk, dB | -116.0 |
Excellent |
| IMD at 10 kHz, % | 0.0008 |
Excellent |
| General performance | Excellent |
Подробный отчёт о тестировании линейного выхода при 2 Vrms
Для удобства мы приводим графики в стиле старых версий RMAA, чтобы вы смогли сравнить с другими устройствами в наших обзорах.
АЧХ идеальная. Тип фильтра ЦАП - sharp roll-off.
Спектр идеальный, но нужно понимать, что он в определённой степени будет зависеть от системы.
Чувствительность входов и выходов переключается аппаратно, из панели карты E-MU. На выбор даётся два стандартных напряжения, 1Vrms и 2Vrms. Эта полезная и любимая всеми особенность была сохранена. Дополнительные настройки размаха напряжения реализованы джамперами на плате.
Впрочем, конфигурировать карту вручную нет никакой необходимости. Это лишь расширение функций карты для продвинутых пользователей.
Характеристики наушникового усилителя аналогичны линейному выходу. Отметим низкие искажения 0.0003% несмотря на то, что размах сигнала 4Vrms.
| Testing device | HP out 4Vrms |
| Sampling mode | 24-bit, 44 kHz |
| Interface | ASIO |
| Testing chain | External loopback (HP-out - line-in) |
| RMAA Version | 6.4.2 PRO |
| 20 Hz - 20 kHz filter | ON |
| Normalize amplitude | ON |
| Level change | -1.2 dB / -1.2 dB |
| Mono mode | ON |
| Calibration singal, Hz | 200 |
| Polarity | correct/correct |
| Frequency response (from 40 Hz to 15 kHz), dB | +0.00, -0.02 |
Excellent |
| Noise level, dB (A) | -117.1 |
Excellent |
| Dynamic range, dB (A) | 117.2 |
Excellent |
| THD, % | 0.0003 |
Excellent |
| THD + Noise, dB (A) | -104.9 |
Excellent |
| IMD + Noise, % | 0.0007 |
Excellent |
| Stereo crosstalk, dB | -115.2 |
Excellent |
| IMD at 10 kHz, % | 0.0006 |
Excellent |
| General performance | Excellent |
Подробный отчёт о тестировании наушникового выхода при 4 Vrms
Подключение к усилителю высокоомной и низкоомной нагрузки при уровне 0,36 Vrms (специально выбранный реальный уровень, когда на 32-омной нагрузке слушать уже практически невозможно из-за высокой громкости) было исследовано в материале 2016 года: Сравнительное тестирование миниатюрных внешних USB ЦАП, октябрь 2016 г. Schiit Fulla, Сambridge Audio Dacmagic XS, AudioQuest DragonFly Red, FiiO Alpen 2 E17K, M-Audio Micro DAC 24/192.
| Тест | — | 16 | 32 | 64 | 300 |
| Неравномерность АЧХ (от 40 Гц до 15 кГц), дБ | +0,00, −0,02 | +0,01, −0,04 | +0,01, −0,03 | +0,01, −0,03 | +0,00, −0,02 |
| Уровень шума, дБ (А) | −108,1 | −107,7 | −107,9 | −107,8 | −108,0 |
| Гармонические искажения, % | 0,0002 | 0,0005 | 0,0003 | 0,0002 | 0,0002 |
Влияние на АЧХ отсутствует.
Тест шума имеет небольшое количество наводок из-за подключения к тестовому стенду с длинными (2 метра) кабелями и нагрузочным сопротивлением.
Искажения - несущественный рост только 2-й гармоники. На слух всё отлично на любой самой капризной модели наушников.
Повторим текст из того обзора, который доводит нашу позицию:
За качественный звук бороться стоит. Высокие цифры должны быть автоматическим побочным эффектом правильно разработанного устройства, результатом владения знаниями и опытом проектирования и производства аппаратуры. Высокие цифры как самоцель — недопустимы ни в коем случае! Иначе получится интегрированный звук. Мерзкий безжизненный фастфуд, нездоровая пародия из дерьма, производимая третьесортными ноунейм-подрядчиками. Суррогат от случайных людей, которые чихать хотели и на музыку, и на потребности пользователя. Предел интегрированного звука — озвучивать динамики ноутбука.
В настоящий момент устройство существует всего в нескольких экземплярах и не изготавливается на продажу серийно. Такая деятельность пока что не является для нас профильной и не поставлена на постоянные рельсы, но всё будет зависеть от отзывов. Мы бы хотели узнать ваше мнение, интересен ли вам этот продукт и наши разработки. Если вдруг кто-то заинтересуется, карту можно предзаказать и получить по готовности. Карта полностью разработана и изготавливается в России, на современном заводском оборудовании, с применением только качественных комплектующих из проверенных официальных каналов поставок. С учетом этого, и так как производство единичное, просим вам понять, что цена не может быть такой же низкой, как на китайские ноунейм товары - издержки выше многократно. С другой стороны, так как у нас нет проблемы выживания от этого вида деятельности, нет заёмных банковских средств под бешеный процент, мы можем позволить себе производить в небольшом количестве по умеренной цене, по системе предзаказа, где все стороны остаются в выигрыше.