喜歡IC還是真空管？

喜歡IC還是真空管？

各式各樣的數類轉換器設計 江俊德

一樣的顏料在不同畫家的手裡，可以創造出不同風格的畫作，同理，一樣的電子材料在不同設計師的手上，也可以變化出完全不同風格的音響產品。電子材料是死的，它們只有規格，必須透過音響電路設計師精心的搭配組合，才能賦予電子零件燦爛的生命。 您 喜歡哪一種聲音？清清如水的，還是厚重濃郁的？每一種電子材料都有其電子數據上的特性，也有其獨特的音色，設計師在規畫電路之時，已經對兩者做了最基本的 考量：電路要先能穩定動作，才講究如何控制調整音色。藉由不同的電路設計，設計師可以營造出該廠牌獨特的風味，這種例子在音響上屢見不鮮。 一套音響器材從頭至尾，都是藉由零件 與電路的搭配，創造出屬於自己的特色。單單就數類轉換器這一件器材上，我們就可以觀察出音響設計師如何發揮創意，在線路架構與音色調整上所下的努力，他們 各持不同的理論，以不同的手法設計出各式各樣的產品。有簡單的也有複雜的；有全IC的也有參雜電晶體與真空管的，就讓這一篇報導瀏覽一下設計師在數類轉換 器上所發揮的創意。 為克服Jitter所下的努力 「Jitter」（時基誤差）一詞並 不是在音響上所獨有的，Jitter存在於任何數位系統上，在數位系統上，只要Jitter的「量」在可容忍的範圍內，系統都可以正常運作。無論哪一套 CD系統，都存在Jitter的問題，而這些Jitter也都合於系統可以忍受的範圍之內，因此即使明明知道系統內有Jitter的存在，CD轉盤與數類 轉換器依舊可以正常無誤的工作。 Jitter的產生在於系統時基的不 穩定，就像機械手錶一樣，會隨著溫度以及使用狀況時快時慢，產生不穩定的狀況。機械錶的時間誤差當然比電子錶大得多，電子錶依靠石英震盪器所發出的頻率工 作，石英震盪器的誤差其實已經很小了，只不過在一切追求完美的角度來看，並不是所有的石英震盪器都很精準的。 Jitter產生的源頭要從產生系統 時基的石英震盪器開始說起。石英震盪器的主要成分為石英，將石英切成薄片加上電壓，可以讓石英產生震盪的效果，將薄片切成不同的厚度，會產生不同的頻率， 不同的品質也會造成石英震盪時的誤差，比如說某一石英震盪晶體的規格為40MHz ±100KHz。「40MHz」就是震盪頻率而「±100KHz」就是工作時的誤差。數位電路的運作好比整隊行進的部隊，必須要有人發號行進的口令，一是 左腳二是右腳，如此整個系統才能正確無誤的運作，否則必然癱瘓。石英震盪器的目的就在於發出系統動作的口令，這份口令就是穩定的工作頻率，叫做時基，也叫 做時鐘（Clock），絕大多數的數位IC都有一支接腳，作為時基的輸入，藉由時基的持續運作，這些IC才能穩定的踏步前進。 理想上而言，如果所有的零件聽從時基 的指示，一步一步地接收與送出訊號，系統是不會有Jitter產生的。但每項元件都有其誤差值，不同的溫度以及不同的使用狀況，會讓這些元件趨向於不穩定 的狀態。例如，CD轉盤讀取CD上的資料時，由於雷射頭對焦的失誤、由於轉動馬達的不穩定，由於外界的震動導致循軌發生跳針的現象，就會影響CD轉盤送出 數位訊號的穩定性，這就是Jitter產生的千種原因之一。 轉盤依照S/PDIF格式送出數位 碼，藉由數位線傳導至數類轉換器，數類轉換器內的接收晶片再依照傳送過來的數位碼，由接收晶片解出包含於其中的序列資料（及兩聲道的音樂資料）以及工作時 基。請注意，數類轉換器的工作時基，是依照轉盤傳送過來的數位碼為依據，如果轉盤送過來的數位碼已經存在Jitter，數類轉換器必然也會跟著產生誤差， 於是，最終聽到的聲音也就存在誤差。 Jitter的問題影響到底有多大？ 沒有人能證實，從另外一個角度來說，Jitter所造成的影響有如LP唱盤抗滑調整不當，或轉速不正常所導致的對音色的影響。它們不論是大是小，總都是一 種失真。如果能夠降低Jitter，至少就能夠保證聲音更接近原來一些些，雖然還有其它的問題待克服。 頭痛先醫頭，降低Jitter的方法其實很簡單，既然它是轉盤不穩定所造成的訊號偏差，不如就讓數類轉換器的工作時基也與轉盤同步，如此大家聽從同一時基口令，就能降低時基誤差了。 設計者想到的改善方法很簡單，轉盤與 數類轉換器之間，除了原來的S/PDIF數位線之外，另外加上一條時基線，一方面傳送數位資料，另一方面也同步傳送工作時基，如此就解決問題了。最早提出 此問題的人已經很難考證，但LINN和Arcam則是最早提出因應對策的廠家之一。dpa在自家的轉盤與數類轉換器之間發明了同步線，利用四條 Toslink光纖連接轉盤與數類轉換器，同時傳輸數位資料，也同步傳輸時基訊號，如此只要兩個系統同時共用一個誤差夠低的石英震盪器，就可以有效降低 Jitter的問題。 S/PDIF是由Sony與 Philips共同制訂的數位傳輸格式，適用使用於CD系統的資料傳輸。由於採用串列資料傳輸，因此Philips早就已經預期會有Jitter問題的產 生，因此Philips另外發表了I平方S介面（正確的名稱為I2S，由於排版軟體無法印出『2平方』的字體，因此以此稱之），目的就在於提共額外的傳輸 介面，降低Jitter的產生。也許就因為沒有人能證實Jitter所帶來的影響究竟有多大，有Jitter也好，Jitter=0也好，它們對於改善聲 音的效果似乎有限，因此大家都把Jitter問題當作一回事，但真正實行對策的廠家卻不多。Audio Alchemy利用Philips的I平方S介面，在自家的產品上發表了I平方S連接端子；Sonic Frontiers也在自家的數位器材上，使用電腦D Type連接器，制訂了自家的I平方S連接器。這些努力消費者都看得見，但究竟規格始終沒有統一，似乎告訴著消費者：在意的廠家依舊在意，不在乎的廠家也 不在乎！ 日本Victor為了Jitter問 題也做出了因應對策，它們提出K2介面。K2介面並非一種特殊的介面，K2介面是一種改善Jitter的作法，也是一種有效糾正Jitter問題的理論， 它適用於所有使用數位傳輸的器材上。K2的作法是這樣的，在數類轉換器內安置一個誤差極低的石英震盪器，石英震盪器發出的頻率正好是標準的工作頻率。這個 石英震盪器發出的頻率就當作系統的運作時基，從接收晶片接收過來的數位訊號必定存在或多或少的Jitter，沒有關係，利用數位比較線路，將接收過來存在 Jitter的數位訊號與石英震盪器的時基做比較，同時做糾正時基的動作，如此一來，即使轉盤的Jitter誤差再大也不怕了，在配備有K2介面的數類轉 換器中，也可以達到Jitter盡量等於零的目的。但還是那句話，Jitter問題只是導致聲音偏離原音的因素之一，Jitter=0並不代表一定就會好 聽。 數位介面處理器也是改善Jitter的器材之一，目前推出的產品有Genesis的Digital Lens數位鏡，也有Audio Alchemy的DTI Pro，Sonic Frontiers更推出了Jitter Bug等產品，都是為了抑制Jitter產生而發明的武器。不過這些器材並不在本篇討論的範圍，因此就此打住。 使用DSP晶片增強馬力 DSP（Digital Signal Prossor）數位訊號處理器，是一種具有特異功能的單晶片（Single Chip），單晶片的意思簡單的說，就是具備電腦運作的基本功能，縮小體積於一體的IC，因此可以將它視為一部小型電腦，或者非常聰明的IC。 聰明的IC可以處理很多事情，與電腦一樣，IC本身只是一只具有特異功能的硬體，使用時必須注入程式，才能依照指示而動作。開發DSP必須有專精的人才，這種人才除了要熟悉軟體的撰寫以外，還必須專精於高等數學的計算，因為DSP的主要工作就在於計算。 計算些什麼呢？DSP的功能相當強 大，計算的速度也快，依照DSP的不同，擅長計算的能力（或說科目吧！）也不同，大多數的DSP擅長於函數的轉換與計算，微積分上複雜的計算，也可以透過 DSP內建的函數功能而輕鬆計算，DSP內部也具有浮點運算，因此對於音響上經常用到的傅立葉轉換也可以輕鬆完成。藉由DSP在計算上的特異功能，拿來做 數位濾波或其他數位訊號處理，的確相當適合。 關於數位濾波的意義，前面幾篇文章已 經有詳細的說明，透過DSP的運算，設計者可以自由發揮數位濾波的性能，換句話說，為自己的數類轉換器量身訂做一個數位濾波器。由於DSP是可程式化的 IC，因此使用DSP的器材，可以透過更換程式的方式，達到升級的目的。當然，更換程式升級，改變的只有DSP的部份，目前有廠家宣稱可以透過更換程式而 提昇DAC解析度的說法，筆者認為應該持保留的態度，除非他真的神通非常廣大。 Theta早期以製造真空管前級起家，後來介入數類轉換器的市場，因為導入DSP技術而聲名大噪。Theta使用Motorola DSP56001晶片做運算，老闆招攬數位人才為它撰寫程式，因此當大多數音響廠家還在研究數類轉換器的構造時，Theta就推出以DSP做數位濾波的數類轉換器，加上類比線路本來就是Theta專長的科目，因此Theta幾乎成為了數類轉換器的代名詞。 Theta也藉此做到真正的升級服務，從GⅡ到目前旗艦GⅤa，數位電路板上幾乎不做任何更動，只更換因應的程式。而DAC晶片設計在類比電路板上，因此只要更新整塊類比電路板，就可以達到升級的動作。 就加工水準以及技術層次來說，Wadia似乎比Theta更高明一些，除了同樣在DSP上下努力之外，Wadia對於機箱的製作格外用心，將整塊實心鋁塊直接送上CNC車床，挖出擺放電路板的空間，藉此達到高剛性以及屏蔽效果佳的機箱。 已經歇業的Vimak也為數類轉換器增添不少高科技的色彩，打開Vimak的機箱，複雜程度恐怕無人出其右，Vimak使用CS 8412做接收，然後利用DSP做數位濾波以及超取樣的工作。Vimak的超取樣相當特殊，當大家使用DSP只做到8倍超取樣的同時，Vimak宣稱達擁有128倍超取樣的動作，實際上如何運算並不清楚，但如果為真，恐怕也是使用DSP技術的一項高難度挑戰。 Sigtech不僅僅是一部數類轉換 器而已，它利用DSP高速計算的功能，利用工作母機在聆聽系統上測得的各項反射數據，將數據輸入用家的機器中，Sigtech就可以依照房間以及搭配器材 的特性，計算出適合聆聽的類比訊號。關於此點理論頗為複雜，有興趣的讀者請翻閱當時的專文介紹。 Accuphase最新推出的DG- 28數位等化器，也可以說是一部充分發揮DSP技術的器材。傳統的等化器皆使用含有「感抗」（如電感）與「容抗」（如電容）的電子零件，藉由元件對於頻率 改變特性的特質，組合出具有等化效果的器材。但傳統被動元件改變特性的同時，也會扭曲原來的訊號，比如相位飄移、失真等，但藉由數學方式的計算，以數位方 式實行，既可以達到等化的效果，又可以保持相位不飄移的神奇特性，因此Accuphase DQ-28的內部，其實可以將它視為一部電腦，一部使用DSP計算的電腦音響。但聲音是類比的，如何透過數位計算達到等化的效果呢？很簡單，使用數位輸 入，或者先將類比訊號轉為數位訊號，進行運算之後再轉為類比輸出即可。 既然DSP可以透過程式撰寫，如果有一位設計者，一口氣寫了六個不同的數位濾波程式，而這些程式可以透過面板上的開關直接切換，是不是就可以即時聽到不同數位濾波所帶來聲音上的改變？方法當然行得通，只不過世界上只有一家這樣做，這就是德國Audio Net的數類轉換器，名字就叫做DAC。這部數類轉換器也使用CS 8412做接收，並且使用DSP晶片做運算，它同時準備了四套不同的程式，只要從面板上切換，就可以馬上改變聲音。 調音功夫勝過一切 數位技術可高可低，有辦法撰寫DSP 程式的人自然逮住機會發揮長處，不喜歡賣弄數位技術（或者根本不會）的公司也不少，數類轉換器對它們而言是否就搞不出花樣呢？其實未必，實際上，在類比部 份搞花樣的廠家也不少，它們不見得要靠數位技術才能生存，在類比部份動些手腳，改變恐怕比數位還大呢！ 在類比部份動手腳，唯一可以發揮的地方在DAC輸出之後，如果該DAC為電流輸出的種類，還可以透過I/V（電流對電壓）的轉換中，加入自己的設計理念。從DAC輸出之後，設計者可以從「類比濾波」以及「類比放大」兩方面著手。 類比濾波由於必須採用高階的低通濾波器，因此必須使用主動式濾波器。類比濾波的目的在於將DAC輸出的「階梯狀類比電壓」平滑化，因此平滑的效果越佳，聲音就會越接近類比的效果。Audio Research以及Krell等類比專精的廠家，在這部份就會捨棄方便的OP AMP（運算放大器），而採用大量電晶體架構出類比濾波的電路，效果何者為優？無從比較。 而類比濾波之後的類比放大，也是類比 廠家得以好好發揮長處的地方。類比放大的功能，其實就只有將類比訊號做低倍放大以及緩衝而已，由於數類轉換器僅算是訊源器材，大多數的輸出電平在2V左 右，因此只需要低倍、甚至於一倍的放大即可，主要的放大留給前級。當然也有不按理出牌的廠家如Theta、Altis等，將輸出電平提昇至8V或以上，讓 後方的前級都強迫變成衰減器了。 類比放大就好比一部固定音量的前級，擅長真空管設計的廠家可以為它大刀闊斧建構一個完整複雜的放大電路，Audio Research、Jadis以及Altis等，在該廠的數類轉換器當中，特別騰出了很大的空間，作為真空管放大電路之用，其中最費工夫的，莫過於Sonic Frontiers的器材，從SFD時代開始，就開始採用真空管做緩衝，直到最新的Processor 3為止，更將電源分離成一個機箱，內部線路有一半以上是真空管放大線路，而其採用的數位技術不過是現成的晶片罷了。但有誰否認它在聲音上的成就嗎？設計廠商可以利用一顆八支腳的雙OP達成類比放大，也可以像Sonic Frontiers一樣使用大量真空管建構，對於廠商而言，只要聲音好能賣錢，沒有什麼不可以的。