DSD教父親自剖析DSD與Dream旗艦數位訊源 Playback Designs總裁Andreas Koch 與類比工程師Bert Gerlach
【全文節錄自「音響論壇 第358期」】
這是我第三次專訪Playback Designs總裁Andreas Koch, 不同的是這次負責類比線路設計的Bert Gerlach也首度來台,可見他們對於這次Dream旗艦系列數位訊源的重視。兩人在來到台灣之前,還先拜訪了香港與日本,Andreas笑說原本以為這趟行程帶了足夠多的名片,沒想到兩人在來到台灣之前,就全部發光光了,由此也可見Playback Designs全新旗艦在亞洲市場的矚目程度。雖然旅途勞累,但是Andreas依然與我前兩次見到他時一樣,不疾不徐、條理分明,非常有耐心的說明了這次Dream的設計特點。本篇專訪的完整版已經在「普洛影音網」刊出,以下則是集結重點的濃縮精華版。
更接近類比的DSD解碼
身為當年制定SACD規格的核心人物之一,Andreas首先說明了DSD解碼技術的優勢。簡單的說,DSD解碼的高頻是自然而和緩的滾降,這種特性更接近類比,也更符合人類的聽感特性。反觀PCM解碼用陡峭的數位濾波線路一刀切斷20kHz(重播16/44.1訊號時)以上高頻,這種作法會產生pre-ringing失真。人類聽感對這種失真非常敏感,就算高解析PCM將pre-ringing推向極高頻領域,pre-ringing的產生時間也大幅縮短,但是人耳依然可以察覺這種失真。
一般廠製Delta-Sigma DAC晶片也具備DSD解碼的優勢嗎?Andreas認為很難。目前只有用FPGA搭配分砌式解碼線路,才能進行真正的1 bit DSD解碼, 也才能呈現DSD真正接近於類比的音質特性。一般廠製DAC晶片只有在接收端是純1 bit DSD狀態,接下來就將訊號轉換為PCM格式,一樣利用陡峭的濾波線路濾除雜訊,也就失去了DSD特有的「味道(flavor)」了。
其實DSD大部分的噪訊都在人耳聽感範圍之外,就算落在可聞頻段,也會被人耳濾除,因為DSD的高頻噪訊是恆定的,不會隨著音樂訊號變動,人耳機制可以輕易的過濾掉這種噪訊。這就像是空間中的冷氣噪音,只要量感低到一定程度,人耳就不會察覺。DAC晶片廠為了數據漂亮,用陡峭的濾波線路將這些噪訊全部濾除,但是由此產生的pre-ringing失真對聽感傷害卻更嚴重。可惜大多數晶片廠只看測試數據,很少有人真正用耳聆聽。
4倍DSD的問題
值得一提的是,Andreas雖然大力推廣DSD,但是他卻不贊成將DSD的取樣率提升到4倍以上。Andreas說明,當DSD從一倍提升到兩倍,每一次取樣的訊息量減半,但是噪訊不變,訊噪比其實變差了,但另一方面,高頻延伸從一倍DSD的20kHz提升到40kHz,我們聽到了更多有意義的音樂訊息。相較之下,兩倍DSD的優點明顯大於缺點。
但是進一步提升到四倍DSD時, 每一次取樣的訊息量更小,已經很接近恆定底噪了,但是高頻延伸從40kHz 提升到80kHz,對聽感上的幫助卻幾乎無感。Andreas曾經做過實驗,用四倍DSD直接輸入1 bit DSD解碼線路,結果證明噪訊對聽感的確已經造成負面影響。由此可證,四倍DSD的缺點已經大過優點,並非最理想的DSD格式。
Andreas認為DSD256的問題非常類似數位相機的感光元件,數位相機不斷往高畫素發展,但是在相同尺寸的感光元件中,畫素越高,每一個畫素接收到的進光量越少,由元件產生的恆定噪訊相較之下越大,此時必須搭配速度更快的處理器,才能消除噪訊提升畫質。簡單的說,數位相機的畫素提升,其實是跟著速度更快的處理器一同發展的。用數位相機的例子,或許更容易理解DSD 取樣率提升所遭遇到的問題。
MPD-8可以對應DSD256嗎?其實是可以的,如果訊號來源是DSD256, Andreas認為將它降轉為兩倍DSD太可惜,所以它特地設計了另一套低通濾波演算法,藉此提升四倍DSD的訊噪比。
改採D&M轉盤
這次Dream系列與前代的最大差異之一,是MPT-8轉盤使用了日本D&M (Denon & Marantz)製造的轉盤機構, 主要原因之一是Esoteric不再對外銷售轉盤給其他廠家使用,所以D&M製造的轉盤成為唯一選擇。Andreas說他原本也考慮使用Oppo的轉盤,它的耐用度很好,而且支援兩倍DSD讀取,但是塑料元件太多,需要大幅改造。沒想到Oppo日前竟然宣布停產藍光播放機,還好當初沒有採用Oppo的轉盤。
D&M的轉盤則是完全針對音樂播放而從頭設計的製品,所謂「從頭設計」,意思是D&M的轉盤不是從一般DVD轉盤改裝而來。 一般消費級DVD 轉盤在設計時,預設的使用頻率極低, 以一週看一片光碟的頻率計算,使用壽命頂多兩年。但音響迷一天可能就要聽3∼5片CD,在這種狀況下,DVD轉盤的使用壽命更短。所以Andreas特別強調D&M轉盤是針對音樂播放的需求而設計,D&M自家數位訊源也使用同樣的轉盤機構,耐用度無需擔心。
不同的轉盤機構,對聲音是否會有影響呢?Andreas說他不否認轉盤的機械結構的確可能影響聲音,但是轉盤對聲音的影響在MPT-8身上已經被降到最低。MPT-8的轉盤後端設有buffer暫存區,可以重整所有輸入訊號的時脈。另一方面轉盤的機械與電路干擾也被徹底隔離,所以轉盤對聲音的影響並不明顯。
PLink搭配獨家相位鎖定技術
Dream系列的另一個特點是使用了PlayLink(簡稱PLink)數位傳輸介面。這種介面以AT&T玻璃光纖為基礎,不過內部光纖結構與介面設計都不相同,PLink是目前唯一可以傳輸PCM 384kHz與四倍DSD高解析原始(Native)訊號的介面,其他介面如AES/EBU、HDMI等都無法辦到。除此之外,利用光纖傳輸,可以完全隔離前端訊源與外界的電氣雜訊,也是採用PLink的優點。
所以PLink是最理想的數位傳輸介面嗎?Andreas特別強調,前提是必須搭配他設計的光電解碼(decoding)與時鐘處理線路(clock generator)。一般數位輸入介面必須使用PLL迴路鎖定訊號相位,但實際上訊號的相位是不斷改變的,PLL的相位也必須配合不斷變化,這時就容易產生時基誤差。一般PLL根本無法區分訊號本身的相位與jitter的相位變化,所以Dream系列捨棄了傳統的PLL線路,利用獨家技術將訊號本身與時基誤差區分開來。這種技術必須同時利用實體線路與FPGA進行控制,運算技術非常複雜,PLink就是為了搭配獨家相位鎖定線路而開發的數位傳輸介面。
MPT-8的數位輸出、輸入介面非常齊全,光是Ethernet網路串流介面就有三個,令我好奇的是,為何要將網路串流設在MPT-8轉盤,而不是設在MPD-8 數類轉換器呢?Andreas解答,DAC必須盡量與一切非同步訊源隔離,才能將干擾降到最低,所以將一切可能產生干擾的訊號輸入集中在MPT-8。Ethernet 使用的25MHz傳輸協定與音樂訊號的處理頻率不相同,所以最好設置在轉盤,再用PLink傳輸隔離雜訊干擾。簡單的說,MPT-8是數位訊源的「髒盒子(dirty box)」,MPD-8則是排除一切干擾的最純淨電路環境。
將DSD升頻到50MHz
MPD-8數類轉換器的數位處理與升頻技術有何特殊之處?Andreas分DSD 與PCM兩方面說明。先說接受到DSD訊號之後,MPD-8會利用獨家技術升頻為50MHz,請注意此處的「升頻」與PCM 的升頻概念並不相同,並沒有改變DSD 的格式,之所以提升到50MHz,只是為了之後的數類轉換預作準備,讓接下來的1 bit分砌式解碼線路可以更輕易的轉換為類比訊號。
再說接受到PCM訊號之後,會先進行一次16倍升頻,將CD品質訊號提升到705.6kHz的高取樣PCM,接下來再轉換為兩倍DSD,之後同樣提升到50MHz 並進行1 bit DSD解碼。
為何要提升到50MHz?Andreas說這是目前技術所能達到的最高取樣頻率, 主要限制其實在於時鐘震盪產生器。一般石英震盪時鐘的最高震盪頻率可以達到30MHz,超過這個頻率之後,已經無法依靠石英本身的震盪,而是要靠石英震盪的泛音(overtone)來達到更高的頻率,此時準確性將大幅降低,失真與時基誤差大幅提升。這是技術限制,石英切割已經不能再薄,太薄將會非常容易損壞。
唯一採用MEMS的數位訊源
為了突破這個限制,MPD-8這次改採MEMS(Microelectromechanical System Oscillator)微機電震盪器,這種時鐘看起來像晶片,但是內部其實是微型機械結構,它的穩定性更高,較不受機械振動、溫度變化的影響,如果正確使用,時基誤差可以比石英時鐘低十倍。重點是它的震盪頻率高達80MHz,Playback Designs做過實驗,發現將DSD提升到50MHz時特性最好,於是把升頻取樣率定在50MHz。
既然MEMS這麼好,為何其他數位訊源廠不使用?Andreas認為MEMS的特性非常符合Hi End數位訊源的需要, 但是MEMS並非用於音響領域,許多設計者對這種元件並不熟悉,而且價格比一般石英震盪器貴上好幾倍,消耗功率又比較大,所以目前可能只有Playback Designs在數位訊源中採用MEMS。
相較於市面上的頂級數位訊源大多採用外接時鐘設計,Playback Designs為何一向堅持採用內建時鐘?Andreas認為外接時鐘的概念來自專業錄音室,錄音室必須整合錄音、混音、影像等等各種數位設備,所以必須靠外接時鐘統一控制時脈同步。音響迷一直認為錄音室器材的品質最好,所以也把外接時鐘的概念帶進家用系統中,但其實這對家用數位訊源是沒有必要的。最理想的時鐘必須盡量靠近DAC線路,如此才能盡量避免導線的容抗與阻抗變化干擾,也避免數位線傳輸時所可能受到的外界雜訊干擾。外接時鐘透過導線連接,雜訊干擾與時基誤差將大幅提升,對於重播並沒有幫助。
運算能力超強大
Dream系列的FPGA技術也有大幅升級。Andreas認為採用FPGA的最大優點是可以不斷改良、更新數位運算技術。5系列當年使用了當時最先進的FPGA, 十年間韌體升級超過20次,聲音表現不斷提升,這是廠製DAC晶片所無法做到的。新一代的Dream系列使用了運算能力更強大的FPGA,MPD-8光是數位線路就使用了兩顆最新FPGA,類比線路左、右聲道也各使用一顆(Andreas 將分砌式DSD解碼線路也歸類為類比線路,所以這裡也需要FPGA進行控制),總共使用了四顆FPGA晶片,不但可以運行更精確的數位處理技術, 也讓Dream系列的未來升級空間大幅提升。Andreas說他一直希望嘗試將PCM 的升頻提升到32倍,在超強大FPGA的幫助下,這些升級計畫都可以實現。
除了FPGA之外,Dream的實體DSD 線路也有升級,雖然1 Bit DSD解碼的基本架構與前代相同,但是這次採用了雙差動線路,還使用了精密度最高的元件與誤差極低的金屬皮膜電阻, 搭配MEMS時鐘,讓數類轉換的精確性得以大幅提升。值得一提的是,MPT-8 與MPD-8都有錄音功能,只要連接電腦,就可以用專用軟體將SACD轉存為DSD檔案,只不過讀取與轉檔速度比Sony PlayStation慢上許多就是了。
分體式的MPT-8/MPD-8與一體式的MPS-8 SACD唱盤有何差異?Andreas 說分體式的最大好處是可以將外接訊源全部集中到MPT-8轉盤,將雜訊與DAC 線路完全隔離。此外,分體式的機箱也有更多空間,可以採用更講究的線路架構。一體式MPS-8的轉盤機構就佔去很多空間,剩下的空間只夠設置兩組獨立電源供應線路(數位、類比供電分離),此外也無法設置內建Server的Ethernet介面,各部線路只能集中在同一塊線路板上,類比輸出也只能採用單差動架構。
OP與分砌式混血類比線路
這次類比線路工程師Bert難得來台,我也把握機會向他請教了Dream系列類比輸出線路的特點。Bert說Dream 系列用了與前代完全不同的雙差動線路建構,前段是純A類,最後才改用推挽AB類,主要原因是這種設計的輸出阻抗為0歐姆,可以降低線材的影響, 與後端器材也有更好的匹配性。除此之外,Dream系列還同時使用了分砌式與OP元件兩種方式建構類比輸出線路。Bert知道許多音響迷不喜歡OP,但他認為OP其實並非一無可取,只要用在對的地方,OP也有它的優點。
MPD-8配備了三組獨立供電,三組都是傳統線性供電線路,為何不用交換式電源呢?Bert認為線性電源可以有等同於交換式電源的特性,但是交換式電源不可避免仍會產生雜訊,所以他選擇用傳統線性供電。MPD-8在左、右聲道與數位線路各設置了獨立電源供應線路,將類比與數位線路的干擾降到最低。
可以跳過前級直入後級
MPD-8內建的類比音量控制也值得一提,Bert設計了獨特的Ladder Type電阻陣列架構音量控制線路,一般音量控制晶片雖然也是類似架構,但他認為不夠理想,所以還是採用分砌式線路。特點是不論音量大小,都能維持一致的聲音品質。Bert對MPD-8的音量控制技術顯然信心滿滿,建議用家可以跳過前級,用MPD-8直入後級,可以得到最好的聲音表現。