DAC
MSB Premier Dac
DAC Nedir ve Dijital Sinyallerin Analog Dönüşümü
DAC, dijital ses sinyalini (yani bilgisayar, CD, stream, dijital transport gibi kaynaklardan gelen verileri) analog sinyale çeviren cihazdır.
Analogda sinüs dalgası formunda depolanabilen müzik sinyali, dijitalde sampling rate (örnekleme) ve bit depth (bit derinliği) parametreleri ile depolanır.
Bildiğiniz gibi analog ses (müzik), kesintisiz (sürekli) bir dalgadır. Tıpkı bir taşın suya düşmesiyle oluşan dalgalar gibi düşünebilirsiniz. Bunu dijitalleştirmek için, bu dalga belirli aralıklarla nokta nokta ölçülür ve kaydedilir. Bu “noktalara” örnek (sample) denir. Örnekleme hızı arttıkça, dijital sinyal analog dalgaya daha çok yaklaşır.
Bir analog sinyalin doğru şekilde dijitalleştirilebilmesi için, örnekleme hızı en az o sinyalin maksimum frekansının iki katı olmalıdır. Örneğin, insan kulağının duyabileceği maksimum frekans 20 kHz’dir. Dolayısıyla bu sesi kayıt esnasında dijitalleştirmek için minimum 40 kHz sampling rate gerekir. CD kaydının 44.1 kHz olmasının sebeplerinden bir tanesi budur. Bu teoreme Nyquist Teoremi denir.
Kayıt esnasında sampling rate arttıkça, üst frekanslar netlik kazanır; daha iyi bir faz doğruluğu ile sahne netliği ve gerçekliği artar ve DAC içerisindeki analog filtreleme daha yumuşak olabilir.
Bit Depth (Bit Derinliği)
Bit depth, analog ses dalgasının her bir örnekleme anındaki genlik (amplitude) bilgisinin dijital olarak kaç bit ile ifade edildiğini belirtir; dijital sistemin kuantizasyon seviyelerinin sayısını belirler. Bu da ses sinyalinin genlik çözünürlüğünü tanımlar. Basit bir tanımla, her bir örneğin (sample) ne kadar hassaslıkla kaydedileceğini belirler.
Yani, ses seviyesinin kaç farklı kademede ölçüldüğüdür. Örneğin, 16 bit’lik bir kayıtta 65.536 seviyeye ulaşılıp yaklaşık 96 dB dinamik aralık elde ediliyorsa, 24 bit kayıtta 16.777.216 seviyeye ulaşılıp 144 dB dinamik aralık elde edilir.
Sonuç olarak bit derinliği, en sessiz ses ile en yüksek ses arasındaki farkı (dinamik aralık), sessiz pasajlarda gürültü tabanının ne kadar düşük olduğunu ve yumuşak geçişlerde detayların ne kadar doğru korunabildiğini belirler.
Audioquest Diamond USB
DAC’a Giriş Bağlantıları ve Dijital Sinyal İletimi
DAC konusuna geri dönecek olursak, belirli bir örnekleme oranına ve bit derinliğine sahip bir dosya, streamer ya da bilgisayar üzerinden DAC’a giriş yapar. Burada USB, Coaxial, AES/EBU veya Optik giriş seçenekleri mevcuttur. Her birinin teknik çalışma farklılıkları ve kullanılan kabloların temel yapıları, ses kalitesine doğrudan etki yapar.
USB (Universal Serial Bus)
Genellikle bilgisayarları, stream cihazlarını ve müzik server’ları DAC’a bağlamak için kullanılır. Oldukça yaygın bir bağlantı türüdür. Genellikle asenkron modda çalışırlar. PCM 768 kHz, DSD512 gibi yüksek çözünürlüklü dosya formatlarını destekler. Bu yöntemde DAC, bilgisayardan ya da streamer üzerinden gelen jitter’ı kendi clock yapısı ile düzeltir. Kablo ve USB port kalitesi, seste çok büyük farklar yaratır.
Streamer üzerinden veri alındığında bazı dezavantajları vardır. Clock konusuna bir sonraki başlıkta geleceğiz. Fakat streamer ya da bilgisayar üzerinden gelen ses sinyali iki parçadan oluşur: Sinyalin kendisi ve o sinyalin zamanlama (clock) verisi. USB, asenkron modda çalıştığı için clock verisi ters bir şekilde akar. Streamer’dan DAC’a ses sinyali iletilir ama clock verisi iletilmez. Clocking işlevi DAC tarafından yapılır. Yani clocking işlevi göndericide değil, alıcıdadır.
Asenkron USB modunda DAC, “ben şu hızda çalışıyorum” diyerek stream cihazına kendini tanıtır. Özellikle günümüz üst seviye olarak kabul edilen (örneğin Hifi Rose 130 gibi) streamerlarda OCXO, Femto Clock gibi oldukça gelişmiş clock üniteleri bulunur. Siz bağlantınızı USB kablo ile yaptığınız zaman, streamer içerisindeki clock ünitesini kullanamazsınız; bu ünite devre dışı kalır.
Coaxial SPDIF (Koaksiyel Dijital)
Bir diğer bağlantı yöntemi Coaxial SPDIF’tir. Genellikle CD transport ile DAC arasında kullanılır. Coaxial SPDIF’te sinyal ve clock bilgisi aynı hat üzerinden taşınır. Sinyal, 75 ohm kablo üzerinden iletilir. Kablo kalitesi sesi doğrudan etkiler. Genellikle yumuşak tonlara sahiptir. 24-bit/192 kHz üstü çözünürlüğe sahip dosyaları genellikle desteklemez.
AES/EBU (Audio Engineering Society / European Broadcasting Union)
Genellikle profesyonel stüdyo sistemlerinde ve yüksek kaliteli Hi-Fi cihazlarda kullanılır. Sinyal ve clock, balanced yapıda birlikte taşınır. 110 ohm empedansa sahip kablolar kullanılır. Uzun mesafe için oldukça idealdir. SPDIF’te olduğu gibi çözünürlük olarak 24-bit/192 kHz ile sınırlıdır.
Clocking (Zamanlama)
Bu konu, belki de dijital müzikteki en can alıcı noktalardan bir tanesidir. Sonuç ürün olan DAC çıkışındaki analog sinüs dalgasını doğrudan etkiler.
Dijital ses sinyali sadece veri (bit'ler, 1’ler ve 0’lar) taşımaz. Aynı zamanda bu verilerin ne zaman okunacağına dair bir zamanlama bilgisine (clock sinyaline) de ihtiyaç duyar. İşlenen sayısal veriler, zaman ekseni ile birlikte şekillerini oluştururlar.
Basit bir tablo ile yola çıkalım. Yukarıdaki tabloda zaman sütunu, ses dalgasının hangi anda örneklendiğini gösterir (örneğin, saniyenin kaçıncı noktasında). Tablodaki değer sütunu ise, o anda ölçülen analog sinyalin genlik (amplitude) değerini dijital bir sayı olarak ifade eder. Bu veriler, bize sinüs dalgasının ne şekilde oluştuğu ile ilgili bir fikir verir.
Örneğin:
-
Zaman T1 anında ses seviyesi 15
-
T2 anında 28 (ses dalgası yükseliyor, belki bir vurgu ya da nota başlangıcı)
-
T3 anında 21 (ses dalgası azalıyor)
Sürecin ne şekilde işlediğini daha iyi anlayabilmek için bir sonraki tabloya bakalım.
Dijital sinyalde, dac’ın sinüs dalgasını oluşturabilmesi için iki ayrı veriye ihtiyacı vardır. Amplitude ve Zaman. Burada ele almamız gereken bir diğer konu örnekleme oranı. 192khz bir kaydı değerlendirdiğimizde saniyede 192000 defa örnekleme yapıldığını görürüz. Her örnekleme bizim için zaman ölçümüdür. Yani yukarıdaki tabloda 192 khz bir kayıtta saniyede 192000 defa zaman ölçümü yapılmıştır. Örnekleme oranı kesinlikle sese etkisi azımsanmayacak bir parametredir. Fakat en önemlisi zaman hassasiyeti arttıkça gerçeğe yakın bir analog sinyal elde ederiz.
Günümüz hifi sistemlerde eğer streamer (yada bilgisayar) ile DAC arasında SPDIF, AES, Coaxial, Optical bağlantı kabloları kullanıyorsak clock sinyali yönetimi kaynaktadır, yani streamerda. Eğer USB kablo kullanıyorsak, asenkron modda çalıştığı için clock sinyali kontrolü DAC’tadır. (bir önceki konu başlığında anlatılmıştı)
Eğer harici bir clock ünitesi kullanıyorsanız ve usb kablo ile veri taşıyorsanız, yanlızca DAC’a clock bağlantısı yapmanız yeterli olacaktır. Fakat SPDIF, AES, Coaxial, Optical bağlantı kabloları kullanıyorsanız, hem streamer, hemde DAC’a clock bağlantısı yapmanız gerekir.
Tara Labs AES/EBU Cable
Jitter Nedir?
Jitter, dijital ses sinyalindeki clock (zamanlama) hatalarıdır.
Yani, dijital verinin doğru zamanda iletilememesi veya doğru zamanda okunamaması durumudur. Jitter, dijital sinyalin gecikmeli, erken ya da düzensiz aralıklarla gelmesiyle oluşan mikrosaniyelik zamanlama sapmalarıdır.
Yukarıdaki tabloda zaman verisinin analog sinyali oluşturmasındaki hayati rolünü görmüştük. Sistemdeki zamanlama hatası, ne kadar yüksek örnekleme değeri olursa olsun analog sinyalde bozulmaya sebebiyet verecektir.
Jitter problemi oluştuğunda:
-
Sesteki vurgu ve detaylar silikleşir,
-
Üst frekanslarda sertlik ve yapaylık ortaya çıkar,
-
Sahne derinliği ve netliği bozulur,
-
Stereo imaj kayar.
Jitter probleminin bir diğer kaynağı ise bağlantı kablolarıdır. SPDIF ve AES/EBU gibi kablolar, sinyal ve zamanlamayı paralel ve aynı hat üzerinden taşırlar. Burada kablodan kaynaklanan bir problem, sinyal ve clock verisinin ayrıştırılmasını zorlaştırır ve jitter oluşur.
SPDIF kabloların 75 ohm, AES/EBU kabloların ise 110 ohm olması gerekmektedir. Buradaki empedans sapmaları jitter oluşumuna neden olur. USB kablolardaki asenkron veri taşınması, dijital clocking verisinin DAC’tan streamer’a doğru ters olarak akması, uygun olmayan kablo tasarımlarında jitter oluşmasına sebebiyet verebilir.
Sistemlerimizde kullanmış olduğumuz dijital kabloların yalnızca dijital veri taşıdığına (0,1) ve bu yüzden çok da önemli olmadığına dair genel bir kanı vardır. Ancak jitter olgusunu azaltmak için harici clock kullanmak oldukça pahalı bir yöntemdir. Üstelik piyasada satılan, uygun fiyat etiketine sahip birçok DAC’ın harici clock girişi bulunmamaktadır.
Burada bütçemiz çerçevesinde uygun nitelikte dijital kablolar (SPDIF, AES/EBU, USB) kullanmak, jitter problemini minimuma indirip dinlemiş olduğumuz müzikten daha fazla keyif almamızı sağlayacaktır.
Eğer kaynak olarak bilgisayar kullanılıyorsa, bilgisayar içerisindeki güç dalgalanmaları jitter oluşmasına sebebiyet verebilir. Kaliteli bir transformere sahip olan bir streamer, bu tip güç dalgalanmaları oluşturmayacağı için jitter yaratmaz.
MSB R2R Dac Chip
DAC Çipleri
Dijital ses dosyasındaki sayısal örnekler, analog ses dalgalarına DAC çipleri ile çevrilirler. Günümüzde yaygın olarak kullanılan üç adet DAC çipi teknolojisi vardır:
1. Delta-Sigma
Delta-Sigma, günümüzde kullanılan en yaygın DAC çipidir. Dijital sinyal, daha yüksek frekansta yeniden örneklenir (oversampling), çok hızlı bir “tek bitlik” sinyal akışı oluşturulur ve bu akış, analog sinyale filtrelenerek dönüştürülür.
Sabre, AKM, Burr-Brown günümüz DAC’larında yaygınlıkla kullanılan Delta-Sigma DAC çipleridir:
-
Sabre: Yüksek çözünürlük, detay, ultra düşük jitter sunar; fakat bazı dinleyiciler için fazla dijitalimsi olabilir.
-
AKM: Daha analog ve sıcak tona sahip, müzikal ama çözünürlükten ödün vermeyen bir yapıya sahiptir.
-
Burr-Brown: Yumuşak ton, doğal sahne ve “analog hissiyat” arayanlar için uygundur.
Delta-Sigma çiplerin avantajları:
-
Yüksek Signal to Noise Ratio (S/N oranı),
-
Üretim maliyeti açısından avantajlı olmaları,
-
PCM 768 kHz, DSD512 gibi yüksek çözünürlüklü formatları desteklemeleri.
Dezavantajları ise:
-
Oversampling ve dijital filtreleme işlemlerinden kaynaklanan yapaylık hissi; bazı dinleyiciler için “dijital” bir karakter sunmalarıdır.
-
2. R2R Ladder DAC (Resistor Ladder)
R2R Ladder DAC çipi tasarımı, dijital sinyalin her bit için belirli değerlerde dirençler aracılığıyla analog sinyale çevrilmesi prensibi ile çalışır. Bu yöntem, gerçeğe en yakın sinüs dalgasını elde etme yöntemidir.
Son derece analog karakterli bir ses yapısına sahiptir. Müzikteki vurgular, sıcaklık ve sahne doğruluğu gerçeğe çok yakındır.
MSB, TotalDAC, Thrax gibi üreticiler, R2R Ladder DAC çiplerini kullanırlar.
3. Hybrid (R2R + Delta-Sigma / FPGA Tabanlı)
FPGA işlemciler ile özel algoritmalar yazılır, dönüşüm işlemi yazılım tabanlı olarak kontrol edilir. Oversampling, reclocking ve filtreleme özellikleri, diğer tasarımlara göre oldukça üstündür.
DCS, Chord gibi üreticiler hybrid DAC çiplerini kullanırlar. Ultra hassas clock kontrolü ve yüksek çözünürlük, en önemli özellikleri arasındadır.
AKM Dac Chip
Burr-Brown Dac Chip
Analog Output Stage
DAC’in dijital sinyali analog hale çevirdikten sonra, bu analog sinyali güçlendirip, şekillendirip dışarıya (örneğin preamfiye) ileten katmandır. Bu kat, bir DAC’in “karakterini”, tonunu, dinamik yapısını ve sahne sunumunu en çok etkileyen bölümdür.
Analog output stage’in ilk aşaması buffering’dir. Buffering aşamasında, DAC çipinden gelen zayıf sinyal daha güçlü ve kararlı hale getirilir.
İkinci aşama ise Gain bölümüdür. Sinyali yükselterek, amplifikatörün anlayabileceği seviyeye getirir. Bazı DAC’ler bu kat sayesinde preamfiye ihtiyaç duymadan doğrudan power amfiye bağlanabilir.
DAC’in analog çıkış katı, dijital olarak hesaplanan sesin gerçek dünyaya iletildiği en son ve en kritik noktadır. Burada çıkış katı olarak:
-
Op-amp + FPGA,
-
Discrete transistör,
-
Tüplü,
-
Transistör + R2R,
-
Tüplü R2R
tasarımlar kullanılabilir.
Bu katın tasarımı, sesin sıcak mı yoksa soğuk mu duyulacağına; detayın mı, sahnenin mi ön planda olacağına; müzikalitenin mi yoksa teknik doğruluğun mu dinlenen müzikte ağır basacağına doğrudan etki eder.
Buraya kadar sizlere elimden geldiğince DAC konusu ile ilgili detaylar vermeye çalıştım. Fakat Hi-Fi dünyasında bazen ezber bozan ürünler karşımıza çıkabiliyor. Buradaki tanımlara hiçbir şekilde uymayan, hem son derece müzikal hem de bir o kadar gerçeğe yakın, dinlerken analog hissini yaşadığım Allnic D-10000 ile ilgili detaylı incelemeyi Ürün İncelemeleri kısmında okuyabilirsiniz.
Allnic D-10000 Dac