Есть две первичных архитектуры ЦАП используемых в цифровых аудио приложениях: R-2R и дельта-сигма (ДС). Последний также известен как ЦАП «шум – формирования» (noise-shaping) или однобитовый (one-bit) ЦАП.

Потребительский уровень изделия и стоимостные характеристики,
как правило, и определяют тип используемого ЦАП–а.
В недорогих изделиях стремятся использовать ЦАП,
имеющий более высокую степень интеграции и более низкую стоимость.

Если принять во внимание, что в большинстве случаев, исходные 16- битовые аудио данные в цифровой форме фильтруются и интерполируются, то этот фактор определяет наличие цифровой фильтрации (цифрового фильтра).
Причем эта фильтрующая функция внешняя для большинство R-2R ЦАП-ов и внутренняя для дельта-сигма ЦАП-ов.

    На заре появления цифрового звука использовались в основном ЦАП-ы типа R-2R, иногда называемые ЦАП текущего управления (current-steering) или лестничный (ladder) ЦАП. Архитектура для R-2R ЦАП-ов очень схожа с ЦАП-ами, применяемыми в контрольно-измерительной аппаратуре. Это семейство ЦАП-ов, характерно одновременным (параллельным) преобразованием битов. Поскольку на входе они воспринимают стандартную последовательность цифровых аудио данных, то их можно отнести к типу последовательно-параллельных преобразователей.
Эта архитектура имеет эквивалент предела теоретического шума произвольному шуму квантования содержащихся в цифровых аудио данных.
Другими словами, R-2R ЦАП–ы не содержат собственных внутренних шумов фильтрации или формирования. На практике порог шума определяется аналоговыми источниками шума, как например, шум резистора и 1/f шум. Эти источники шума находятся на уровне менее чем -100dB, как показано на рисунке 2.
    В типичном применении, выход R-2R ЦАП -а фильтруется выходным аналоговым фильтром (LPF-Low Pass Filter). Этот фильтр действует как «анти-формирователь», не воспринимающий сигналы, находящиеся вне fа, как показано на рисунке 3.

    Современные цифровые аудио Цап-ы , независимо от типа (R-2R или дельта-сигма), содержат функцию цифровой фильтрации. Основная цель цифрового фильтра в том, чтобы уменьшить требования к исполнению выходного аналогового низкочастотного фильтра при помощи увеличения частоты дискретизации (отсюда тенденция увеличения ЧД до 88 и 176кГц). На практике объяснение работы и теории цифровых фильтрации основывается на понимание связи между процессом низкочастотной фильтрации и выходным спектром ЦАП.

Цифровой фильтр ЦАП интерполирует входные данные, затем фильтрует данные с конечной полосой пропускания (finite impulse response (FIR)).

(FIR) - функция работает подобно низкочастотному аналоговому фильтру. Фильтрация осуществляется при помощи интерполяции (передискретизации, oversampling ).

    В этом примере оригинальные входные данные, интерполированные с 2-х кратной передискретизацией, образуют спектр показанный на рис. 4(b), который содержит дополнительные данные вокруг 2fs. Затем данные фильтруются FIR с результатом, показанным на рис. 4(c). Уровень ослабления (stopband) определяется параметрами конкретного цифрового фильтра.
Важно понять процесс ослабления цифрового фильтра. Взависимости от типа исполнения существует много типов цифровых фильтров. Уровень их ослабления может изменяться от 30dB до 130dB.

Из рис.4 видно, что более высокий уровень ослабления цифровым фильтром уменьшает требования к исполнению выходного аналогового фильтра. Для простоты в примере использована 2-х кратная передискретизация (2-oversampling). На практике реализуется 4-х и 8-кратная передискретизация. Построение таких фильтров осуществляется дополнительными этапами каскадирования интерполяции и фильтрации, что соответствующим образом отражается на стоимости компонента.

    ЦАП-ы ДС используют индейскую хитрость, чтобы достигнуть необходимых динамических характеристик по сравнению с R-2R ЦАП-ами. Шумы квантования входной полосы выборки (аудио полосы) модулируются «дельта-сигма» модулятором в высокочастотную область и передискретизация входного спектра происходит с гораздо большим значением, чем для R-2R ЦАП.
Процесс «шум-формирования» задается порядком модулятора, а также величиной передискретизации. Эти показатели определяют динамические возможности ДС ЦАП-а. Спектр для типичного модулятора ДС показан на рис. 5, область аудио полосы выделена как fа. Также из рисунка можно увидеть, что происходит в спектре выше рабочего.

    Общее гармоническое искажение плюс шум обусловливаются ошибками линеаризации (linearity) ЦАП-а, а также уровнем шума в полосе дискретизации (in-band).

Человеческое ухо очень чувствительное к искажениям и шумам квантования в аудио системах воспроизведения. Как показано на рисунке 7, когда аудио сигнал восстановлен из цифровых исходных данных, гармоническое искажение происходит как в четных так и нечетных обертонах сигнала. Сумма искажений этих обертонов определяется как общие гармонические искажения. На практике, сумма ограничивается семью или девятью гармоническими составляющими. Причем, учитывается только шум в полосе пропускания от 20Гц до 20кГц.

    Звук ЦАП– а в первую очередь оценивается по динамическим параметрам. Спецификация по постоянному току не так не важна, поскольку постоянный уровень не может быть услышан (!).

Динамический диапазон является, возможно, наиболее полезным критерием для звука ЦАП-а,
потому как он определяет способность ЦАП–а воспроизводить сигналы низкого уровня.
Человеческое ухо более чувствительно к искажениям на очень низких уровнях сигнала,
чем на больших уровнях амплитуды.

    В мультиуровневой ДС-архитектуре ЦАП-ов высокочастотный шум выше, чем в традиционных однобитовых, что требует более «крутого» подавления высокочастотных составляющих
Рисунок 8 содержит примеры построения типичных выходных низкочастотных фильтров 1-го, 2-го и 3-го порядков.

- Дельта-Сигма ЦАП-ы при более простом цифровом фильтре имеют завышенный уровень шумов квантования на выходе, что в ранних схемных решениях решалось отключением на длительной паузе выхода от операционника.
- звучание ДС-ЦАП-а можно всегда отличить по кажущемуся «сфокусированному» сигналу. Последнее субъективно очень сходно с прослушиванием на кассетном магнитофоне при наличии схемы динамического подмагничивания.
Юрий Нечунаев, г. Киев