無論是隨身聽播放器還是USB接口的DAC產品,對DSD音頻的支持在這一年多里變得越來越普及,而從2011年10月得益於PS3的破解,SACD Rip內容流出至今已經過去了近五年,索尼以默許甚至鼓勵的態度來推廣這些明明是盜版的SACD的錄音製品,支持DSD播放的硬件設備也越來越多,甚至可以說達到了普及的程度。DSD是否帶來了更好的音質?可否將所有的PCM音樂全部轉換成DSD?這麼做是否可以有音質提升?這些答案都是肯定的。而本文主要來講解如何通過Foobar2000設置,讓所有的PCM音樂,包括16bit/44.1kHz或者高清的24bit/96kHz的音樂,都讓USB DAC以DSD的形式播放。並且會談到簡單的工作原理。
需要使用的工具與功能
Foobar2000播放DSD應該使用的工具
原本,我們打算先寫一篇在Windows10下設置播放DSD的文章,因為在最近測試各種USB聲卡時在Windows ASIO下確實遇到了一些問題。如今在Foobar2000下播放DSD和2012年時寫的文章內容其實有了一點點變化。雖然工具還是那幾個,但版本升級帶來了實用方法和界面上的區別。我們在談到PCM到DSD轉換之前,先來簡單說明一下這幾款工具現在的版本和變化。
首先,整個測試基於Foobar2000的較新版本1.3.10正式版,要在USB模式下播放DSD的音樂,當然需要安裝用來識別常見SACD Rip封裝文件的插件。在Foobar2000中,這個插件叫做foo_input_sacd版本是0.8.4。同時,USB聲卡需要以ASIO的通道來傳輸數據,需要安裝Foobar2000的ASIO插件,目前的版本是2013年的一次更新為2.1.2.由於以上兩個小插件的更新,其實如果只是播放DSD,已經不需要安裝ASIO Proxy這個插件了。下文我們會談到。
但是要玩PCM到DSD的實時轉換,或者希望切換DSD的工作模式是Native還是DoP,還是需要安裝ASIO Proxy,這裡推薦安裝最新版本0.9.2,這是一個在2016年8月剛剛更新的版本。這個版本其實就解決了0.8.x版本在Windows10下運行不穩定,設置窗口經常無法彈出的問題。
至此,都安裝上了最新版本的ASIO插件、SACD插件和ASIO Proxy插件後,Windows10下的Foobar2000播放DSD應該是沒有任何問題的。下面我們來聊聊ASIO Proxy這個插件的強大功能。
ASIO Proxy插件的功能
ASIO Proxy插件的名字有點奇怪,聽起來以為是給聲卡的ASIO做一個設置的代理,但從功能上來說它其實是一個DSD到ASIO的通道管理器。在0.7.x的時代,我們雖然安裝了Foobar2000的ASIO插件,但在播放設備中還不能如圖下紅框內直接看到DSD ASIO播放設備[這是新版插件的功能,2012年-2013年還不可以]。所以,我們必須要安裝ASIO Proxy,在裏面設置需要用於DSD輸出的ASIO聲卡設備。而現在已經不需要了。
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Foobar2000 DSD播放設置-ASIO/DSD插件下直接可以選擇播放設備
那麼ASIO Proxy有什麼功能呢?在0.7的早期版本,ASIO Proxy除了選擇管理聲卡ASIO設備外,還可以選擇這個設備工作的模式。當年DoP1.0的規範剛剛出現。而現在還有了DoP的1.1規範,DSD ASIO Native規範等等。而在之後某個版本,ASIO Proxy開始加入了DSD to DSD、PCM to DSD的轉換功能。至少這在0.8版本中已經出現,這個時間應該已經有兩年多了……但我們忽略了這個強大的功能一直沒有使用。直到前幾個月,Mac上的Audirvana播放器升級,說支持SDM轉換了,研究了一下才明白,原來這就是PCM到DSD的實時轉換器。也就是說,我們平時使用的PCM規格的音樂,通過ASIO Proxy,經過簡單的設置是可以全部以DSD的方式輸出播放的。也就是說16bit/44.1kHz的音樂也可以以DSD64或者DSD128格式播放,可是這有意義啊?我們接下來說說它的簡單原理。
PCM轉DSD音質為什麼會更好?
跳過或減少Delta-Sigma DAC的多比特多階調製器
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Delta-Sigma ADC和DAC工作流程圖
圖片轉載自DSD-Guide
如圖所示,這是轉載自DSDGudie[dsd-guide.com]的一張Delta-Sigma ADC和DAC的工作流程圖。我們先來看DAC部分,即後面那個橙色方塊的流程。Delta-Sigma是A/D和D/A的一套獨特的方法,大概從上世紀80年代起即進入了這一類DAC獨當一面的時代,有興趣可以來看看這個帖子[BBS]Link=00011176[/BBS]。我們目前使用的DAC芯片,全部為這一類DAC。Delta-Sigma的實現方法很難用一個通俗易懂的例子來講解,目前來看只能用數學的方法來描述,這裡先不做講解。
但從音響發燒友的角度,用發燒友常用的詞彙來談談Delta-Sigma DAC和我們常見的一些玩法和說法。首先,如上圖可以看到它將這個模塊標註為Oversampling DAC,即這種類型的DAC是要做升頻的。因為44.1kHz的採樣率相對較低,而低通濾波又不可能像數字上看到的那麼理想,所以必須要把噪聲推到更高的頻率段。所以,Delta-Sigma DAC要做多階的調製,對PCM規格的信號進行升頻,並且做1bit化的輸出。這個過程一般習慣稱之為SDM即Sigma-Delta Module.所以,任何Delta-Sigma DAC都具有解碼DSD的能力。老產品不支持DSD解碼,是因為在設計上的數字通道沒有留下硬件上的接口,而不是DAC的問題。
將PCM轉換為DSD 1bit輸出其實並非SACD之後的專利和產物,從歷史角度來說,SACD還應該是從Delta-Sigma DAC上獲得了靈感而徹底優化後的產物。我們知道,在80年代很多CD機有1bit的解碼技術,例如知名的飛利浦DAC7[這不是一顆芯片],而是TDA1547 DAC和SAA7350芯片的組合。因為設計師看不上TDA1547內的SDM,而外加一顆芯片SAA7350專門做三階調製和數字濾波。所以,今天一些DIY產品只使用TDA1547是不可能做出DAC7的味道的。而在那個時代,由於集成在DAC內的SDM性能指標差,所以外置SDM和外置數字濾波器的方案很常見。這樣看似費力的方案,其實性能確實不輸給今天集成度很高的單一DAC芯片。但是,和優秀的DAC相比,例如CS4398已經有五階的SDM,現代的DAC可能會更好一些。
Delta-Sigma DAC用一種特別的方法對D/A進行處理,升頻、波形重整的過程大體上說犧牲了速度而換取了精度。升頻的好處對於信噪比來說顯而易見,噪聲被移到了很高的頻率段,對模擬低通濾波來說設計更為方便。但,也正是SDM的多階過程的每一個變化都會產生相位上,時鐘上的失真。也因此我們一直在談論說,數字音頻對時鐘要求多麼多麼高。這其實是Delta-Sigma方法和PCM編碼帶來的問題,而並不是所有數字音頻的問題。當然,在CD機時代,電動機的伺服系統的時鐘也同樣重要。
我們能否避免SDM帶來的失真呢?DAC7和80年代的1bit DAC設備告訴我們一個方法,用更好的芯片來完成這個工作。不同時代有不同的做法。第一,我們在ADC時就直接使用高採樣率,對於AD和之後的DAC來說,它可以少做升頻,減少失真,降低時鐘Jitter的影響。這也就是為什麼我們聽24bit/96kHz的音樂更好聽的道理,並不是因為你聽到了什麼20kHz-48kHz的超聲波,也不是因為96kHz的採樣率記錄了更多的節目信息,而是降低了SDM的負擔,減少了DAC內部的失真[ADC同理]。但這還不徹底。徹底的方式,就是不經過SDM,直接輸出。可不可以?
當然可以,播放DSD得到好的音質就是這個道理。而我們現在要用軟件來實現SDM更是可以,用電腦的CPU配合播放器軟件來完成整個SDM的工作,而只使用DAC芯片內的DSD解碼部分。所以,從理論上來說這是完全成立的。
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PCM不同規格信號與DSD信號的頻域噪聲信號分佈圖
圖片轉載自DSD-Guide.這張圖片的意思不是說高採樣率和DSD擁有更多的信息,超聲波配合你的超能力,所以聽起來就更逼真。而是說,將噪聲放在更高的頻率段,明顯更容易被模擬器件的濾波器濾除乾淨。
也許你還不相信CPU和軟件算法的能力?我們不如回到ADC,即你聽到的錄音製品製作的過程。即便是DSD64的SACD內容,它也是基於24bit或者32bit的384kHz或者352.8kHz的PCM錄音下,通過SDM轉換而來的,而不可能是DSD直接錄音的。為什麼這麼說,因為目前DSD音樂無法做後期編輯處理。其實,24bit/352.8kHz已經並不比DSD64差了。
小結:我們這裡做一個小結,來說明Delta-Sigma DAC在解碼PCM、解碼高清PCM、解碼DSD時差別的原因是在於它內部的SDM需要工作在什麼狀態。簡單的說,我們使用24bit/96kHz[或更高採樣率]是讓了DAC內部的整形做更少的工作,而不是聽到超聲波。而我們用軟件的方法做升頻,也是同樣道理——軟件的升頻其實是為了DAC內部不升頻。而DSD是更徹底的方案,下面要做的就是用軟件來實現PCM到DSD轉換,讓播放音樂完全進入DSD狀態。
設置方法與主觀聽感
Foobar2000 DSD設置之ASIO Proxy 0.9版本 PCM-DSD轉換設置
在這套設置中,PCM到DSD轉換和播放DSD音樂其實沒有什麼差別。這裡直接進入設置方法,安裝的插件請見前文。ASIO Proxy 0.9版本如圖所示和0.8版本相比有所變化,看起來更為直觀。在安裝好該軟件後,在ASIO設備中可以看到dsd-asio選項,雙擊單開,如圖看到界面。這個界面頂部可以選擇要使用的聲卡設備。如圖我們使用FiiO ASIO Driver。
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Foobar2000 DSD播放設置-ASIO Proxy 0.8版本設置界面
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Foobar2000 DSD播放設置-ASIO Proxy 0.8版本設置界面
而圖中有五列內容,第一列已經是現成的採樣率,標明了Input。它是指一個輸入條件,即你在播放該採樣率、該格式的音樂時會做以下四個項目的轉變。Output是指以什麼形式輸出,可以選擇DSD64、128和256.DSD256或512,必須要DSD Native才可以,DoP1.0是不可以的。
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Foobar2000 DSD播放設置-PCM實時轉換DSD界面-ASIO Proxy 0.9版本設置界面
Converter內,是四個類型的SDM,Type ABCD,沒有找到ABCD的官方說明差別。Sample&Hold,不太明白,好像是DSD to DSD時的升頻,似乎沒太大必要了。DSD64和DSD128的差別真得聽不出來,更不要說DSD512了。DSD Mode有常用的DoP和Natvie,當然還有兩個獨家的方案。
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Foobar2000 DSD播放設置-PCM實時轉換DSD界面-ASIO Proxy 0.9版本界面與CPU佔用率情況
如圖所示雖然是FiiO的Driver,當然只是我們一個實驗性的設置,經過測試,飛傲的播放器USB DAC模式是可以支持DoP和Native兩種模式DSD的,但最高只可以支持到DSD64.PCM到DSD的SDM需要消耗一定的CPU運算量,如截圖所示,我們是在做一個24bit/96kHz到DSD64的轉換,在Macbook Air的i5 4250U [1.9GHz 雙核超線程,帶超線程的i5……] CPU下,需要7%-15%左右的CPU佔用率。
而對比macOS下的Audirvana Plus的SDM,Foobar的這套精度應該還比較低,這款播放器下的SDM可以選擇7階和8階[CS43xx系列是5階,而DAC7是3階]的精度,CPU佔用率要比這個高2-3倍。我們會單獨寫一篇Aurvana Plus的濾波器功能的文章。
主觀聽感
最後,再做一次說明。在看過前文後,我們應該不會糾結44.1kHz如此低採樣率的音樂文件轉換到高採樣率甚至DSD有什麼意義?我們以前將44.1kHz升頻到352.8kHz或更高,不是要得到更多的信息量,雖然看上去文件是大了不少。它的意義是要讓DAC的SDM避免或減少升頻、調製工作。而現在我們做的更徹底,把它轉換成DSD。這同樣或者從來就不是一個信息量的問題,而是對DAC芯片內的工作模式和工作方法有所不同。你聽到的完全不是做PCM時DAC工作的單元,而是芯片和電路DSD部分輸出的信號。而其實DSD解碼基本不需要DAC做什麼工作,只是一個通道管理,濾波輸出罷了。而PCM是需要做SDM大量的運算工作轉換的。而這裡,我們用了更高精度的算法讓電腦的CPU來完成這部分工作。
主觀聽感的差別也是相當正面的,這與我們以前玩的升頻帶來的差別還是較大的。無論是電腦CPU還是隨身聽、或者聲卡專用的芯片進行升頻,一般會帶來聽感上差異的主要特點是聲音密度,低頻會變得結實,聲音厚度會稍有改善。但SDM後直接通過DSD輸出,會帶來更大改善。
理論上,不同芯片DSD和低通濾波還是有差異,但是我們對比了Mojo、樂之邦02Mark2、06MX,飛傲X7等DAC基本得到了同樣的聲音變化特徵。在DSD模式下,輸出整個聲音背景的安靜程度會有比較大幅度的提升,這對於喜歡追求背景「黑度」的玩家來說和耳機玩家來說是一大福音。其次,整個聲音的後延瞬態變得乾淨而平滑,就是聲音收緊的這個瞬態更為自然細膩。如果對比PCM狀態,哪怕是24bit/96kHz,也會覺得它的瞬態發糊,這主要發生在中頻和低頻。而對高頻的改善,同樣是這部分瞬態,聲音的邊緣圓滑了很多,相比PCM狀態就是毛刺感明顯。這種變化不需要你有多麼高級的設備,一套入門設備,同樣可以輕易的體會得到。
總結
原本我們打算寫這篇文章只是談談ASIO Proxy新版本對於Windows10兼容穩定性,恰好又發現了SDM轉換的魅力,同時也研究了為什麼用CPU去做SDM可以帶來好聲音的簡單原理。關於Delta-Sigma DAC和ADC的細節目前還沒有找到一個簡單易懂的方法闡述,但對於發燒友來說,前文的道理已經說得比較明白了。對於可以支持DSD的聲卡用戶來說,還不趕快用ASIO Proxy設置一下,聽聽聲音帶來的變化。
而每每談到DSD總會說到版權問題,但索尼作為SACD幾乎惟一的技術倡導者,明顯是在默許這類軟硬件的使用。不然,自家以及眾多日本廠商也不會推出支持DSD播放的解碼器。所以,我們認為這是索尼開放的態度,以獨特的方式讓很少一批的發燒友更多領略SACD和DSD的風采。也許在恰當的時候,我們有可能看到DSD音頻技術在互聯網音頻中的應用出現。
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