高音質ラズパイ用DACの設計と製作

デジタル信号を正しく再生するには? ~サンプリング定理の意味

Twitterで以下のように発言をしたら、案の定、あまり理解されなかったので頑張って説明してみます。

サンプリング定理は「信号の最大周波数」の2倍より早い速度でサンプリングすれば元信号の情報は完全に再現できる(一意に決まる)、とは言ってるけども、サンプリングしたデータをそのまま再生したとき元波形が再現できるとは一言も言ってない。

https://twitter.com/nabe_abk/status/777874934424940544

なおこの記事では、フーリエ変換が存在する連続信号(関数)のみを考えることにします。

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ジッターの基礎(XOとTCXOとMEMSを聴き比べ)

はてブ数 2016/03/14 電子::DAC/ADC読み物

同じテーマで以前書いた記事もありますが、新たに書きなおしです。

ジッターとは?

ジッターとは、クロックのタイミングの「ゆらぎ」のことです。

例えばいわゆるノイズは信号に対する信号以外の信号のことを表しますが、ジッターはクロックが本来持つべき時間精度に対する「ゆらぎ」(時間軸のノイズ)として捉えることができます。ジッターとはクロックとクロックの間の時間ゆらぎ(位相雑音)のことです。

jitter.png

上のグラフはどちらも同じ5Hzのクロックですが、ジッター(量)がまったく異なります。

DAC/ADCにおける発振器

音をデジタル化してパソコンやCDなどで扱ったり再生するためには、DACやADCといった処理が必要になります。これらの処理では「アナログの信号を一定時間ごとにデータ変換」することで実現しています。この「一定時間ごとに」というのがとても重要で、これが狂ってしまうと再生する波形が歪んでしまいます。すなわち、なるべくジッターのないクロックを使用しないと波形が歪んでしまうことになります。

DAC/ADCにおいてクロックの精度が音質に影響することはよく知られていますが、発振周波数安定度(ppm)が良ければ音が良いという風潮がかなり強くあります。

それはクロックを「TCXOに載せ変えて音が良くなった!」という記事が多数あったり、市販製品でもクロックの安定度(ppm)の低さをセールス要素として語っているものが多くあるためでしょう。

クロックは「発振器」などで生成されますが、通常は水晶が使われます*1。通常の水晶発振器をXOといい、温度補償付水晶発振器をTCXOと言います。前者の周波数安定度は50ppm程度なのに対し、後者は2.5ppm程度*2と10倍ぐらい高精度になっています。

*1 : 最近はシリコン製のMEMS素子の発振器も使われるようになりました。

*2 : 最近は0.28ppmのTCXOも市販されています。

TCXOに意味はあるのか?

そのような状況でTCXOは好んで使われているのですが、理屈上はジッター低減のためにTCXOを使うのはあまり意味のない行為です。なぜなら、周波数安定度(ppm)は「ある期間(例えば1秒間)のクロックの個数を補償している」だけでジッターとは何の関係もありません。最初の図で見たとおり、ある期間のクロックの個数が一定でもジッターの量はいくらでも変化します。

しかしながら、全く無意味というわけでもないようで、TCXOが周波数(クロック数)を補償するための仕組みや回路が、結果としてジッターを低減している可能性が大いにあるようです。

発振器聴き比べ実験

jitter_pcm2704dac.jpg

ちょうど手元にPCM2704 DACが2台あるので、同じPCに同時に接続して試聴してみました。手前のDACがクロックを載せ替えている方で、奥が標準の回路になります。*3

以前比較したHC53は消費電流が多すぎて比較にならなかったので、消費電流が数mAの(FOX924Bと大して変わらないもの)を選びました。また電源を差し替えたりすると音が安定しないので、交換後しばらく鳴らしてから音質を比較しました。

FOX924B

  • FOX924B-12.000 341円
  • TCXO ±2.5ppm
  • ジッタ性能等の記載なし
  • HCMOS

標準のクロックです。非常に綺麗な音がします。以下、これを基準とします。

KC3225K

  • KC3225K12.0000C1GE00 162円
  • 標準XO ±50ppm
  • ジッタノイズ(25MHz時) 143dBc/Hz @1kHz
  • 位相ジッタ 1ps @12kHz-20MHz
  • SIA-3000, Jsigma : 50ps / Jpp : 1.0ps
  • CMOS

低ジッタでNZ2520SDより評判も良い京セラKC7050Kのサイズ違いです。

標準のFOX924Bに肉薄する音質です。ただし、FOX924Bに比べるとわずかに音の広がりが弱く、そしてやや音が濁る印象があります。

KCxxxxBというシリーズもありますが、こちらはジッタ性能が落ちます。試しに乗せて比較してみましたが、FOX924Bに比べると音がザワ付きます。*4

ECS-TXO

FOX924Bと同じ±2.5ppmのTCXOです。FOX924Bと異なりジッタノイズが規定されていますが、KC3225Kと比べるとだいぶ劣る数値になっています。

音質はFOX924Bと同じ。違うと思って聞けば違う音のような気もしますが、もはやプラシーボの域を出ない印象で、同じと言って差し支え無いと思います。

ASEMB

  • ASEMB-12.000MHz-LY-T 251円
  • MEMS ±10ppm
  • ジッタノイズ(100MHz時)
    • サイクルジッタ 50ps
    • Period Jitter RMS 5ps
  • CMOS。消費電流 5.7mA。

水晶ではなくMEMSと呼ばれる半導体発振器です。MEMS素子といえば加速度などのセンサーで使われていたのですが、最近はMEMSの発振器というものが登場し、安価でありながら±10ppmと水晶を上回る性能を発揮しています。

期待の音質です。FOX924Bよりも空間表現に優れますが、音の綺麗さは少し劣ります。2.5ppm精度のTCXOはただ高いわけではない(苦笑)

しかし、手ハンダするには一般的な発振器の何倍も難しい構造(パッド)になっています(汗)

ASV

安価ながら20ppm/3.2psのXOです。ちょっと大きかったのですが無理やりつけてみました。

音質ですが、FOX924BどころかKC3225Kより劣ります。平面的な音の鳴り方で、よくある水晶発振器(回路)によるクロックという印象でした。

*3 : PCM2704DACの回路は、クロックの手前にCRフィルタ(220Ω)があり、更に負荷抵抗として2.2KΩが付いていることに注意してください。

*4 : 載せたえた瞬間は音の広がりが良かったように感じてそうツイートしたのですが、差し替え差し替えでテストしてたのでFOX924Bが本来の性能を発揮してなかっただけでした。

考察(修正済) 2016/03/21

PCM2704がPLLと呼ばれる回路を内蔵し外部クロックを基準としてDAC再生クロックを内部生成しているためか、ジッタ性能の影響は少なく周波数安定度のほうが影響が大きいという結果になりました。*5

ただ20ppmでも音の悪い水晶発振器とか、2.5ppmのTCXOよりMEMS素子の10ppmが優れた音質を示したのは一見すると矛盾です。

そんなわけで「TCXOは標準の水晶発振器に、逆特性の温度補償回路を付けたもの」であるので「内蔵されている素子単体の性能としてはMEMS素子のほうか優れるのではないか」という仮説を立ててみました。

温度補償回路は、-30度から+85度という大きな温度領域でのずれを補償するためのもので、通常クロックを使用するほとんど温度変化がない状況においては補償回路よりも素子性能がものを言うのではないかという考察です。同様に、そのようなほぼ一定温度条件下での「クロックのずれの少なさ」は、素子性能が大きくものを言うんじゃないかと考えています。

以上、戯言みたいな仮説だと思っておいてください。

追加検証をするとしたら、PLLを内蔵しない単体DACに24.576MHzなどのクロックを直接与えて検証してみたいところです。その際は、0.28ppm精度のTCXOも含めて。

*5 : もちろんジッタ性能も影響はするのですが

PLLなし回路での追試 2016/07/04

PLLを内蔵しないPCM5122に直接クロックを与えて試験してみました。使用クロックはすべて24.576MHzです。ASDMBは上に述べた、ASEMBの単なるサイズ違いです。

  • ASDMB-24.576MHZ-LY-T(MEMS) 10ppm
  • KC2520K24.5760C10E00(XO) 50ppm
  • ASTX-H11-24.576MHZ-T(TXCO) 2.5ppm

結果は「ASTX > ASDMB > KC2520K」。KCxxxxKはPLL内蔵DACの時も感じましたが、音が少し荒っぽいです。中域が少しカサ付く感じがします。ASDMBは安定して綺麗で、ASTXは空間再現などが一枚上という印象でした。

しかしPLL内蔵DACと比べると、クロックによる音質差は少なく感じます。もしかすると、PLLって百害あって一理なしなんじゃ(苦笑)

22.5792MHzで聴き比べ 2016/07/26

  • KC2520K22.5792C10E00(XO) 50ppm
  • SIT8008AC-12-33E-22.579200G(MEMS) 25ppm
  • ASDMB-22.5792MHZ-LR-T(MEMS) 25ppm

やはりSIT8008AC(MEMS)のほうが良かったです。KC2520Kは音が平面的で少しカサつきますね。

更にASDMBと比較すると、同じ25ppmではあるのですが、ジッターの影響なのかASDMBのほうが音が綺麗に感じました。僅差というよりは、ちゃんと分かる差がありました。

また追試したらこの項を追記します。

まとめ

PLL内蔵DAC(もしくはPLL付きDAC回路)において。

  • ジッタ性能よりも周波数安定度が音質に効果がある。
  • 性能が同程度のTCXOは音質差が少ない。
  • スペック上の安定度がよくても実際には音質が優れないものもある。*6

PLLなしDAC(PLLなしDAC回路)において。

  • PLL内蔵DACよりも、クロックによる音質差は少ない。
  • 標準XOよりもMEMS。MEMSよりもTCXOという、ppm通りの結果に。

いくつも試聴したわけではないのでなんとなくの印象でしかありませんが、ppmの精度が上がると音が綺麗になり、ジッタの性能が良くなると空間表現が広がる感じがしました。

*6 : スペアナがあればスペック通りの性能なのか測ってみたいところですけど、当然持ってない(苦笑)

参考

上記サイトはとてもよく分析された優れた記事ですので、ぜひ参考にしてください。NZ2520SDは入手が面倒なので試してませんが、このサイトやネット上の評判を読む限りKC2520K(=KC7050K)よりも劣るようですので、まあ良いかなと。

2016/02/17(水)HiFiBerry DAC+ PROを買って使ってみた

Raspberry Pi用I2S DACを買ってみました。

※この記事の写真を無断使用している人が……。写真の使用料請求すればいいのかな。

宣伝

外部クロック動作のオリジナル設計ラズパイ用DAC頒布中です。音質に拘った設計になっています。HiFiBerry DAC+ PROよりよっぽども音質良いです。

Raspberry PiのI2S出力

I2SとはDACチップを動作させるための通信規格でラズパイにはI2Sを直接出力する機能が存在します。ラズパイ用のI2S DACは色々発売されいて、国内でも既にいくつかでていますが、そのほとんどが水晶クロックを搭載していません。

というのも「ラズパイのI2S出力」はシステムクロック(SCLK)と呼ばれる「22.5792MHz」や「24.576MHz」のクロックを出力する機能がありません。ほとんどのラズパイ用DACは、BCLKと呼ばれる1bitごとのデータ出力クロックからシステムクロックを生成しています

PCM51xxのような特殊なDACチップを使用したボードは存在するのに、PCM179xといったよく使われるDACチップを使用したボードが存在しないのはそのためです。

またこのBCLKについても、クロックタイミングが一定ではないことが知られています。再生速度が狂う代わりに、このクロックタイミングを一定にするというパッチも同じサイトで公開されていますが、それはそれで(音が高くなったり低くなったりする)問題があります。

Raspberry Piで外部クロックを使う

あまり知られていないことですが、ラズパイのI2Sには外部クロックに同期してデータを出力するモードが存在します。説明すると大変なので詳しくはSND_SOC_DAIFMT_CBM_CFMでググってもらうとして、要するに「ラズパイにSCLKを与えるのではなく、ラズパイにBCLKやLRCLKを与えそれに同期してデータを出力してもらう」ことで、完全に正しいクロックでI2Sデータを出力することができます。

そのような機能を持つ製品として「HiFiberry DAC+ PRO」というものが存在します。

HiFiberry DAC+ PROの購入

公式サイトからカートに入れて、日本国内の住所を普通に(ローマ字で)入力するだけで手に入れることができます。送料も「たった$8」ですので、6000円ぐらいで購入できました。

注文から1週間ぐらいで届きました。

HiFiberry_DAC_plus_02.jpg

HiFiberry_DAC_plus_03.jpg

Volumioのインストール

このDACはラズパイのモデルB用です。手持ちのRaspberry Pi2 BにVolumio 1.55をインストールして早速使用してみました。

HiFiberry_DAC_volumio.png

「HiFiBerry +」を選択して早速音を再生。


……

…………

……………………なにこれ、超気持ち悪い!


音質がどうのとかそういうの以前に、揺らいでるのか、歪んでるのか、とにかく気持ち悪くてしょうがない。これはおそらくラズパイの歪んだI2Sクロックが原因です。実はHiFiberry DAC+ PROを「Volumio Ver1.55」などで使用した場合、外部クロックは有効にならないのです(参照)。*1

2016年2月時点でラズパイ用DACで外部クロックを使用しているものなんてほぼ流通してませんから、今現在ネットにあがってるラズパイ用DACの感想は、ほとんどがこの狂ったI2Sによる再生によるもので……。


よくこんなのありがたく聞けますね!(笑)


やー、ほんと、音が狂ってるせいでリアルに吐き気してきました……。こんなん聞くならPCM2704で音質のいいDACのほうが100倍も良いです。

*1 : 解決方法は下で述べます

Volumioを外部クロック対応にする

※注意:Volumio2やMoode Audio 2.6などは最初から対応しています。このような作業は不要です。


VolumioというかHiFiBerry DAC+のドライバを更新すると、HiFiBerry DAC+ PRO対応になり、外部クロック再生ができるようになります。

Volumioが起動中のラズパイにsshで接続します。

ID: root

Pass: volumio

この後コンソールでカーネルのアップデートを実行します。

# rpi-update

なお、RaspbianやRaspbianベースの他のイメージでも、rootからrpi-updateで対応ドライバをインストールできるかと思います。

ついでにシステムまわりの設定

この項は直接関係ないので、あとで別記事に移す予定。

ディスク容量拡張

Volumioを転送した状態では、SDカードの空き容量が無駄になっていますので、この部分を使えるようにします。

# raspi-config

コマンドを実行して「1 Expand Filesystem」を選択すれば、勝手に拡張してくれる……はずなのですが

Your partition layout is not currently supported by this tool. You are probably using NOOBS, in which case your root filesystem is already expanded anyway.

と怒られてしまいます。Volumioのパーティションの切り方をRasbianと変更してあるらしく、うまく行きません。

/usr/bin/raspi-config を編集します。

  if [ "$PART_NUM" -ne 2 ]; then
    whiptail --msgbox "Your partition layout is not (略)" 20 60 2
    return 0
  fi

「-ne 2」の部分を「-ne 3」に書き換えてから「raspi-config」を実行してください。うまく行きます。

アップデート

まず、sources.listのdeb-srcが狂ってるので修正します。修正しなくてもあまり問題はないのですが気持ち悪いので。

# vi /etc/apt/sources.list
deb http://mirrordirector.raspbian.org/raspbian/ jessie main
deb-src http://mirrordirector.raspbian.org/raspbian/ jessie main

そのままシステムをアップグレードします。20分ぐらいかかります。

apt-get update
apt-get upgrade
apt-get dist-upgrade

DVI-Dに出力 2016/03/01

config.txtに以下を設定。

hdmi_drive=1
  • 1 : DVIモード
  • 2 : HDMIモード

コンソールのスクリーンセイバーをオフ

/boot/cmdline.txt に以下を設定。

consoleblank=0

apt-get upgradeしないなら /etc/kbd/config も修正。確認は以下。

cat /sys/module/kernel/parameters/consoleblank

ハードウェア乱数を有効化

apt-get install rng-tools 

Ras Pi3で内蔵WiFi(wlan0)有効化 2016/07/21

mkdir /lib/firmware/brcm/
cd /lib/firmware/brcm/
wget https://github.com/RPi-Distro/firmware-nonfree/raw/master/brcm80211/brcm/brcmfmac43430-sdio.bin
wget https://github.com/RPi-Distro/firmware-nonfree/raw/master/brcm80211/brcm/brcmfmac43430-sdio.txt
reboot
ifconfig wlan0

APモードで動作させる場合、チャンネルを6に設定しないと安定しないようです。

hoatapd.conf

interface=wlan0
driver=nl80211
hw_mode=g
ssid=SSID

# for Realtek 8192 (USB/rtl8192cu)
#channel=1
# for Raspberry Pi 3 WiFi (BCM43430)
channel=6

Linux 4.4.15-v7+現在、ドライバが未成熟なのか不安定。しっかりとした電源を用意しないと安定しない模様。

HiFiBerry DAC+ PROの外部クロック再生

「rpi-update」後に再起動してもう一度再生してみます。今度はきちんと外部クロックを使用した再生ができました。

さっきまでの音が嘘のように、とても綺麗な音です。

HiFiBerry DAC+ PROの回路と仕組み

基板上の役割は以下のようになっています。

HiFiberry_DAC_plus_04.jpg

  • P4ヘッダはI2S出力です。外部DACを接続できるようになっています。
  • ID EEPROMにはIDを示すシリアルROMです。27pin/28pinがID用に予約されているようですが、調べてないので詳細は知りません。

主要部分の回路接続は以下のとおりです。

HiFiberry_DAC_plus_PRO.png

仕組み

  • dacplusのi2sドライバは、i2cによってPCM5122チップをコントロールする。
  • 44.1kHzと48kHz系により、PCM5122のGPIO3/6を操作して使用する水晶クロック(SCLK)を切り替える。
  • 192/96/48などの再生周波数により、PCM5122にSCLKからBCLKおよびLRCLKを生成させる。
  • BCM2708/BCM2836は、与えられたBCLK/LRCLKに同期してI2Sデータを出力する。(SND_SOC_DAIFMT_CBM_CFMモード)

HiFiBerry DAC+には、通常の「HiFiBerry DAC+」と「HiFiBerry DAC+ PRO」が存在しますが、その判別は次の方法で行っています。

  • X44をonにし、2msウエイト後、PCM5122の94番レジスタを読み込む。
    • bit 6(CDST)が0であること(PCM5122がSCKを認識していること)を確認する。
  • X44をoffにして、同様にクロックがないことを確認する。
  • X48をonにして、同様にクロックがあることを確認する。

この3つの条件をすべて満たしたとき、HiFiBerry DAC+ PROボードとみなし、外部クロックを使用するようになります。

2014/07/31(木)S/PDIFを複数入力したい

WM8804というSPDIF→I2S変換の石をいじっています。このICのS/PDIF入力端子は、そのままSPDIF信号を入力できるようになっています。

wm8804-fig28.png

とはいえ、同軸入力(コアキシャル)と光入力を両方とも扱えるようにしたいと思うと手間です。

  • スイッチで切り替える
  • セレクタで切り替える(信号認識して自動切り替え等)

世の中の作例をみるとこんなところでしょうか。同時に入力した時は使えないだけでいいので、もっとシンプルにならないものかと試行錯誤しました。

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OK キャンセル 確認 その他