Μετατροπείς DAC

Εισαγωγή

Ως όρος, η λέξη DAC σημαίνει digital-to-analog converter (ψηφιο-αναλογικός μετατροπέας), και ονομάζει μια ηλεκτρονική συσκευή, η οποία εν προκειμένω μπορεί να λάβει ηχητικό ψηφιακό σήμα, κωδικοποιημένο με συγκεκριμένο τρόπο, και να το μετατρέψει σε αναλογικό σήμα επιπέδου line, που είναι στην ουσία εναλλασσόμενο ρεύμα μεταβλητής τάσης και συχνότητας. Αυτό το αναλογικό σήμα μπορεί στη συνέχεια να οδηγηθεί στον προενισχυτή, ακολούθως στον τελικό ενισχυτή, και τελικά να οδηγήσει τα ηχεία σας.

Ας υποθέσουμε πως έχετε ένα cd player στο ηχητικό σύστημα του σπιτιού σας, για να παίζετε τα CD σας. Αν ρωτήσετε κάποιον, πώς να το αναβαθμίσετε, πιθανότατα αυτός θα σας συμβουλεύσει να πάρετε ένα DAC.

 

Τρόποι σύνδεσης

Τα παλαιότερα DAC φέρουν τουλάχιστον δύο εισόδους ψηφιακού σήματος, κωδικοποιημένου με βάση το πρωτόκολλο S/PDIF, μια οπτική μέσω υποδοχής toslink και μια ηλεκτρική, υλοποιημένη με υποδοχή RCA.

Φυσικά, μπορείτε να αξιοποιήσετε τη μια από τις δύο, αναλόγως της ψηφιακής εξόδου που έχει το CD player σας, ενώ μπορείτε να αξιοποιήσετε και τις δύο, συνδέοντας σε καθεμιά από αυτές μια ξεχωριστή ψηφιακή πηγή.

Η οπτική σύνδεση πραγματοποιείται με ανάλογη οπτική ίνα, ενώ η ηλεκτρική τοιαύτη με «ψηφιακό» ομοαξονικό καλώδιο 75Ω, τερματισμένο σε βύσματα RCA, το οποίο μπορεί να έχει μέγιστο μήκος 10 μέτρων. Ένας πλέον προηγμένος DAC μπορεί να φέρει ακόμη μια ψηφιακή είσοδο, υλοποιημένη με υποδοχή XLR, ώστε να δεχθεί σήμα μορφοποιημένο με το πρωτόκολλο AES/EBU. Η σύνδεση αυτή προδιαγράφεται με διαφορική σηματοδότηση (balanced), απαιτώντας καλώδιο σύνθετης αντίστασης 110Ω με τρεις αγωγούς, τη «θερμή» και την «κρύα» φάση, καθώς και τον κοινό αγωγό («γείωση»), κι έτσι, αυτή η σύνδεση επιτρέπει πολύ μεγαλύτερο μήκος καλωδίου, αν χρειάζεται.

Σε πλείστες των περιπτώσεων, καθεμιά από αυτές τις εισόδους επιλέγεται από ανάλογο επιλογέα στην πρόσοψη της συσκευής, ενώ άλλες συσκευές στερούνται επιλογέα, επιλέγοντας αυτόματα την είσοδο που δέχεται σήμα, ενώ αν είναι ενεργές περισσότερες της μιας, επιλέγουν την είσοδο που προηγείται με βάση σειρά προτεραιότητας καθορισμένη από τον κατασκευαστή. Σε κάποιες συσκευές, αυτή η προτεραιότητα μπορεί να τροποποιηθεί από τον χρήστη, με ανάλογη ρύθμιση της συσκευής.

Όσον αφορά τις εξόδους, ένας DAC φέρει τουλάχιστον μια έξοδο single ended υλοποιημένη με υποδοχές RCA, ενώ άλλοι φέρουν επιπλέον και εξόδους balanced μέσω υποδοχών XLR. Σε όλες τις περιπτώσεις, αν υποστηρίζονται και οι δύο είδους έξοδοι, αυτές μπορούν να λειτουργούν ταυτόχρονα.

Από το έτος 2003, και καθώς οι αλγόριθμοι μη απωλεστικής συμπίεσης γίνονταν όλο και περισσότερο δημοφιλείς, και με τη σταδιακή αύξηση της χωρητικότητας των σκληρών δίσκων, οι υπολογιστές κατέστησαν μια ελκυστική ψηφιακή πηγή ηχητικού σήματος, υλοποιώντας αυτό που σήμερα ονομάζουμε PC audio. Ένας DAC με δυνατότητα σύνδεσης σε υπολογιστή ήταν ο χαμένος κρίκος της αλυσίδας, και εξ αυτής της ανάγκης μια νέα γενιά DAC εμφανίσθηκε και κατέστη με το χρόνο ένα πολύ σημαντικό κομμάτι της αγοράς hi-fi.

Εκτός των παραπάνω εισόδων, ένας τέτοιος DAC φέρει και μια θύρα USB, συνήθως τύπου Β, ώστε να μπορεί να συνδεθεί σε υπολογιστή. Αυτή η σύνδεση κάνει το λειτουργικό σύστημα του υπολογιστή να «βλέπει» τον DAC σαν μια ξεχωριστή, εξωτερική «κάρτα ήχου», η οποία μπορεί να επιλεγεί ως το προεπιλεγμένο υποσύστημα για αναπαραγωγή ήχου. Σε μια τέτοια περίπτωση, όταν παίζει ένα αρχείο ήχου, τέλος πάντων ένα τραγούδι, το ψηφιακό σήμα οδηγείται στον DAC μέσω του διαύλου USB, και εκεί μετατρέπεται σε αναλογικό. Αντί USB, κάποιοι DAC φέρουν θύρα firewire, λύση που υποδηλώνει πως η συσκευή είναι περισσότερο προσανατολισμένη για επαγγελματική χρήση.

Ως εδώ καλά – αλλά μια στιγμή!

Καθώς ο DAC δίνει έξοδο επιπέδου line, μπορεί να οδηγήσει κατ’ ευθείαν τον τελικό ενισχυτή ή ένα ζεύγος ενεργών ηχείων, και σε μια τέτοια περίπτωση μπορείτε να ελέγχετε τη στάθμη μέσα από την εφαρμογή που παίζετε τη μουσική σας. Βεβαίως, αυτό γίνεται, αλλά για πολλούς είναι μια λύση όχι και τόσο βολική, και εδώ υπεισέρχεται ο ψηφιακός προενισχυτής.

«Ψηφιακοί» προενισχυτές - DAC

Ένας «ψηφιακός» προενισχυτής αποτελείται από έναν προενισχυτή και έναν DAC στο ίδιο κουτί, φέροντας μια ή περισσότερες ψηφιακές, καθώς και κάποιες εισόδους αναλογικού σήματος – και επιπλέον και είσοδο για πικάπ, σε κάποιες περιπτώσεις. Καθεμιά από αυτές τις εισόδους μπορεί να επιλεγεί από την πρόσοψη, κι έτσι αυτός ο προενισχυτής μπορεί να αποτελέσει το κέντρο ελέγχου του ηχητικού σας συστήματος – και δεν είναι μόνον αυτό.

Καθώς οι υπολογιστές μας είναι πλέον συνδεδεμένοι στο Internet, αλλά και δικτυωμένοι μεταξύ τους μέσα στο σπίτι, ένας ψηφιακός προενισχυτής μπορεί να φέρει και κάρτα Ethernet, ακόμη και κάρτα ασύρματης δικτύωσης, ώστε να συνδεθεί στο οικιακό δίκτυο, να «δει» κάποιο διαμοιρασ μένο δίσκο ή μια συσκευή NAS, και να παίξει μουσική κατ’ ευθείαν από εκεί όπου την έχετε αποθηκευμένη.

Αυτού του είδους οι DAC είναι γνωστοί στην αγορά ως «audio streamer», ή «network media player», ή κάπως έτσι. Αυτός είναι ένας τυπικός ψηφιακός προενισχυτής, (Grace m903). Στην πίσω όψη της συσκευής, (κάτω στιγμιότυπο), και από αριστερά προς τα δεξιά, μπορείτε να δείτε την υποδοχή του ηλεκτρικού ρεύματος, μια ηλεκτρική και μια οπτική ψηφιακή είσοδο, καθώς και τη θύρα USB επάνω από αυτές. Αμέσως μετά εδρεύουν οι αναλογικές έξοδοι σε μορφή υποδοχής TRS (balanced) και RCA (single ended), και τέλος δύο είσοδοι αναλογικού σήματος, μια single ended με υποδοχές RCA και μια balanced με υποδοχές XLR. Όλα αυτά ελέγχονται από την πρόσοψη, (επάνω στιγμιότυπο), όπου στα αριστερά φαίνονται δύο έξοδοι ακουστικών σε μορφή TRS ? της ίντσας, το ρυθμιστικό στάθμης χωριστά για τα ακουστικά και καθεμιά από τις δύο αναλογικές εξόδους, ενώ πιο δεξιά παρατίθεται ο επιλογέας εισόδου και τέλος το πλήκτρο έναυσης της συσκευής.

Αυτή είναι η πίσω όψη ενός πιο προηγμένου DAC, συγκεκριμένα του Weiss DAC202. Εκτός των εισόδων που αναφέρθηκαν παραπάνω, η συσκευή αυτή φέρει και φηφιακές εξόδους, ώστε να συνδέσετε κάποιον ανάλογο εγγραφέα. Αντί της USB, αυτός ο DAC φέρει δύο θύρες firewire, ώστε να συνδεθεί σε ανάλογη θύρα του υπολογιστή. Τέλος, φέρει και υποδοχή sync-in, μέσω της οποίας μπορεί να χρονισθεί από εξωτερικό ρολόι, ενώ το σήμα αυτού του ρολογιού το δίνει μέσω της εξόδου sync-out και σε άλλη ψηφιακή συσκευή που ενδεχομένως θέλετε να συνδέσετε επάνω στο εξωτερικό ρολόι.

Τα ψηφιακά format

Όλα τα αρχεία ήχου μπορούν να διακριθούν με βάση δύο θεμελιώδη χαρακτηριστικά τους, τη διαμόρφωση και τη μορφή του αρχείου, (container). Ως όρος, η διαμόρφωση ονομάζει τον τρόπο με τον οποίον τα ψηφιακά δεδομένα πρέπει να αποκωδικοποιηθούν από το τσιπ του DAC, τι αντιπροσωπεύουν αυτά. Η παλμοκωδική διαμόρφωση (pulse code modulation) είναι έως σήμερα η πλέον διαδεδομένη στα αρχεία ήχου, και προδιαγράφεται από το μήκος λέξης και τη συχνότητα δειγματοληψίας. Για παράδειγμα, αν ριπάρετε ένα κομμάτι από κάποιο CD στο δίσκο του υπολογιστή σας, αυτό θα έχει μήκος λέξης 16bit και δειγματοληψία 44,1KHz. Αν ριπάρετε το αρχείο ως έχει, αυτό θα αποθηκευθεί στο δίσκο σε αρχείο τύπου κυματομορφής (waveform), με επέκταση ονόματος .wav. Σε άλλη περίπτωση, το αρχείο μπορεί να είναι σε μορφή aiff. Αν και αυτές οι δύο μορφές container αποθηκεύουν ήχο σε ασυμπίεστη μορφή, διαφέρουν μεταξύ τους. Σε μεταγενέστερο χρόνο, μπορείτε να συμπιέσετε απωλεστικά αυτό το αρχείο σε μορφή mp3 ή wma, ή σε κάποια άλλη, ενώ μπορείτε να το συμπιέσετε και με μη απωλεστικό τρόπο, σε αρχείο τύπου flac, ape, alac, wavepack, ώστε τελικά να εξοικονομήσετε χώρο στο δίσκο σας. Μετά τη συμπίεση μπορείτε να παίξετε αυτό το αρχείο, χρησιμοποιώντας κάποια ανάλογη εφαρμογή, όπως ο Windows Media Player, ο Foobar, το Apple iTunes, το Amarra, o JRiver, ή κάποια άλλη. Αν και τα αρχεία τύπου wav και aiff υποστηρίζονται ευρύτατα, δεν υποστηρίζουν όλες οι εφαρμογές κατ’ ευθείαν όλα τα αρχεία μη απωλεστικής συμπίεσης, αλλά σε πολλές περιπτώσεις αυτό το εμπόδιο προσπερνάται με τη χρήση κάποιου εξτρά προσαρτήματος (plug-in), δίνοντας στην εφαρμογή την απαραίτητη ευελιξία.

Ας επιστρέψουμε στην παλμοκωδική διαμόρφωση, κι ας ρίξουμε μια ματιά στην ακόλουθη εικόνα.

Όπως βλέπετε στο επάνω στιγμιότυπο, το ψηφιακό σήμα αποτελείται από μια παλμοσειρά, όπου η μεταστροφή του σήματος σημαίνει το ψηφίο 1, ενώ η διατήρηση της κατάστασής του σημαίνει το ψηφίο 0 – κι αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίον το σήμα είναι εγγεγραμμένο στο CD. Αυτή η μεταστροφή ή διατήρηση συμβαίνει ανά σταθερά τακτά διαστήματα στη ροή του χρόνου, που για το CD είναι 44.100 φορές το δευτερόλεπτο, όπου το σήμα έχει υποστεί διαστρωμμάτωση (έχει «σπάσει», ώστε να είναι ασυνεχές), ενώ περιέχει και πρόσθετες πληροφορίες, ώστε να είναι εφικτή η διόρθωση σφαλμάτων. Όταν ο δίσκος αναπαράγεται, το σήμα αποκωδικοποιείται, ώστε τελικά να αποτελεί μια σειρά δυαδικών ψηφίων ομαδοποιημένων σε «λέξεις» των 16 ψηφίων. Καθώς η ηλεκτρική τάση του αναλογικού σήματος αναπαρίσταται από μια συνεχή ημιτονοειδή καμπύλη, κάθε ψηφιακή λέξη εκφράζει τη στάθμη της τάσης σε τακτά σημεία στη ροή του χρόνου, αποτελώντας ένα δείγμα.

Έτσι, κάθε δείγμα μπορεί να έχει τιμή από 20 έως 216 (1 - 65536), οπότε η τάση μπορεί να έχει 65535 διαφορετικές τιμές από το αρνητικό έως το θετικό της μέγιστο. Όσο μεγαλύτερη είναι η ψηφιακή λέξη (16, 20, 24, 32 bit), τόσο λεπτομερέστερα παράγεται η τάση του αναλογικού σήματος, καθώς το πλήθος των σκαλοπατιών της τάσης ισούται με το αριθμό 2 υψωμένο στο πλήθος των ψηφίων της λέξης. Όσον αφορά το σήμα στη ροή του χρόνου, προφανώς, όσο περισσότερα δείγματα έχουμε ανά δευτερόλεπτο, τόσο ακριβέστερα αναπαρίσταται η τάση.

Κάθε DAC φέρει ένα συγκεκριμένο ολοκληρωμένο κύκλωμα, ένα ψηφιακό φίλτρο, ικανό να παρεμβάλλει πρόσθετα δείγματα, τα οποία υπολογίζει μαντεύοντας, με χρήση ενός αλγορίθμου, κι έτσι λέμε πως o DAC κάνει υπερδειγματοληψία. Για παράδειγμα, εάν το ψηφιακό φίλτρο πραγματοποιεί τετραπλή υπερδειγματοληψία, για κάθε ένα αρχικό δείγμα παρεμβάλλει άλλα τρία υπολογισμένα, οπότε παίζοντας ένα CD, τροφοδοτεί το τσιπ μετατροπής με ψηφιακό σήμα συχνότητας δειγματοληψίας τετραπλάσιας αυτής του CD, δηλαδή 176,4KHz. Με την τεχνολογική εξέλιξη, καθώς ο ήχος υψηλής ανάλυσης έγινε πράξη ευρέως διαδεδομένη, κάποιες συχνότητες δειγματοληψίας κατέστησαν βιομηχανικά πρότυπα, οπότε, εάν ένας DAC υπερδειγματοληπτεί σε αυτές (88,2 ή 96KHz), λέμε ότι κάνει upsampling, με τον όρο oversampling να παραμένει για συχνότητες μη τυποποιημένες, (176,4KHz, 192KHz, 352,8KHz).

Ένα άλλο, πολύ ενδιαφέρον φορμά χρησιμοποιείται στους δίσκους Super Audio CD της Sony, οι οποίοι προδιαγράφονται με Pulse Width Modulation, PWM, γνωστή και Pulse Density Modulation (PDM), που θα μπορούσαμε να αποδώσουμε στην Ελληνική ως διαμόρφωση πυκνότητας παλμών. Εν συγκρίσει προς την PCM, η διαμόρφωση PDM είναι μια τελείως διαφορετική προσέγγιση. Η Sony έχει λανσάρει το δικό της ψηφιακό δίσκο με αυτού του είδους τη διαμόρφωση, καθώς και συγκεκριμένη κωδικοποίηση εγγραφής, γνωστή με την ονομασία DSD, Direct Stream Digital. Η διαμόρφωση DSD δίνει μια παλμοσειρά χρονισμένη στους 2,8224MHz, κι έτσι κάθε παλμός μπορεί να έχει ελάχιστη χρονική διάρκεια 1/2.822.400 δευτερόλεπτα, και από εκεί και μετά, ακέραιο πολλαπλάσιό της. Με βάση αυτή τη σύλληψη, στα σημεία καμπής της ημιτονοειδούς τάσης υπάρχει πυκνή συγκέντρωση παλμών, ενώ τα μέγιστα και ελάχιστα εξάγονται από παλμούς μεγαλύτερης διάρκειας, αναλόγως και της συχνότητας βεβαίως. Έτσι, η διαμόρφωση PDM δεν χαρακτηρίζεται, ούτε από μήκος λέξης, ούτε από συχνότητα δειγματοληψίας. Παρακαλώ, δείτε την επομένη εικόνα.

​

Τα περισσότερα SACD είναι υβριδικά, περιέχοντας δύο στρώσεις, από τις οποίες στη μια είναι εγγεγραμμένο το σήμα DSD, ενώ η άλλη είναι γραμμένη με τον τρόπο του CD, οπότε ένας τέτοιος δίσκος μπορεί να παιχτεί είτε σε συσκευή SACD, είτε σε ένα απλό CD ή DVD player. Επίσης, αξίζει να γνωρίζετε πως το πρωτόκολλο του SACD υποστηρίζει και πολυκάναλο ήχο. Για περισσότερο από μια δεκαετία η Sony κρατούσε το SACD ως κλειστό φορμά, οπότε ήταν αδύνατη η λήψη ψηφιακού σήματος DSD από τις ανάλογες συσκευές, ενώ βεβαίως ήταν εφικτή η λήψη ψηφιακού σήματος από το CD layer των υβριδικών SACD. Καθώς αυτό το πρότυπο ελευθερώθηκε, «άνοιξε» προσφάτως, εμφανίσθηκαν στην αγορά και DAC με δυνατότητα αποκωδικοποίησης σήματος DSD.

Όλες οι ηχογραφήσεις πραγματοποιούνται σήμερα με χρήση διαμόρφωσης PCM σε φορμά 24bit / 96KHz, χαρακτηριζόμενες ως υψηλής ανάλυσης και ποιότητας studio, και στη συνέχεια «κατεβάζονται» σε φορμά 16bits/44,1KHz για να εκδοθούν σε CD, ενώ κάποιες από αυτές διατίθενται εμπορικά σε μορφή αρχείων υψηλής ανάλυσης wav ή flac, μέσω του Internet. Κάποιες λίγες πραγματοποιούνται κατ’ ευθείαν σε μορφή DSD, ώστε να εκδοθούν σε SACD. Φυσικά, χρησιμοποιώντας τον ανάλογο εξοπλισμό, μια ηχογράφηση μπορεί να μετατραπεί από τη μια μορφή στην άλλη, χωρίς απώλειες ποιότητας ήχου.

Έτσι, έχοντας σήμερα τόσο πολλές επιλογές, ασφαλώς θα υπάρχει στο κατάστημά μας κάποιος DAC, κομμένος και ραμμένος στα μέτρα σας!