マルチチャネルDAC制作記

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マルチチャネルDAC製作記 http://multidac.blogspot.com/
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LPRPとBEMICROを開発元のArrow Internationalのオンラインショップに発注していましたが、輸出管理関連で2種類の書類を求められました。
書類が会社組織を前提としたフォーマットだったので個人でも大丈夫か問い合わせをしたら、OKだと回答があったので、よくわからないなりなんとか書いて送ったら、なかなか返事が来ないは、催促メールしたらあいまいな回答で審査NGなのか、処理に時間がかかっているのかわからない回答。再度確認したら一言キャンセルだとかふざけた回答でした。理由の問い合わせも無視。
 質問にも、無視か簡単に一言の回答しかよこしてくれず、個人相手だからか非常に不親切な対応で参りました。

 そこで、別のを考えることとにして、3倍以上しますが(送料入れれば2倍強?)、Altera Nios II Embedded Evaluation KitをDigi-Keyから購入しました。こちらは、Web上で輸出管理関連の質問に答えるだけで、26日発注で29日着と激速です。
ボード2枚構成+タッチパネル付きLCDで構成されるので価格が高くなるのは致し方なしです。汎用IOが殆ど無いところが欠点ですが、今回の目的にはギリギリOKのはずです。

NEEK1top
Altera Nios II Embedded Evaluation Kit(NEEK) Top View

NEEKbottom
Altera Nios II Embedded Evaluation Kit(NEEK) Bottom View


 こいつにしようと考えたのは、Interface 09/1月号にFPGA評価キットを使ったグラフィック・イコライザの設計製作という記事とそのソースファイルがフリーで提供されていていたことです。フィルタ関連の実装をまずはこれを動作させて、これをベースに変更していくことで作っていこうと考えたわけです。

 しかしいくつか問題点があり簡単にはできないかもしれません。
 ・Altera Nios II Embedded Evaluation Kitのサンプルファイルは、QurtusII V8.0
 ・Interface 09/1月号 FPGA評価キットを使ったグラフィック・イコライザの設計はQurtusII v8.1
 ・Windows7対応はQurtusII V10からでPCにインストールしているのはV10 sp1
 ・NiosIIのコアをライセンス料のかかるNiosII/f(ライセンスフリーなのはNiosII/e)
 ・Configファイルのダウンロード方法が見えていない。(デフォルトではSDカードからアプリを選択してダウンロードしているが、SDカードではなくボード上メモリからダウンロードする形態としたい)
 ・2枚のボードに別れていて、タッチパネルLCDやCODEC、デバッグIOなどへのアクセスがMAX II経由で分かりにくい。
 ・開発マシンとしていたVaio Rmaster君がWindowsの定期更新中エラー発生、その後立ち上がらなくなった。
 
 QuartusIIのバージョン変更すると一部調整が必要になりますが、元の構造がよく理解できていないので、調整方法が今のところよくわかっていません。という状態でさらにThinkPadにV8.1インストールしようとしたが途中で止まりインストールできず。Vaio Rmasterは立ち上がらない。....弱りました。
 また、NiosII/fのままではライセンス購入が必要となるので、処理能力がかなり劣るNiosII/eで再構成しなければなりません。もし処理能力が必要なプログラムがあるようだと、一部ハードアシストに変更してやる必要もでてきます。多分グラフィックイコライザのリアルタイム表示でもしない限りは、一部ハード化は必要ないとは思います。

 という状態なので、時間はかかりそうですが、ぼちぼちすすめるつもりです。
  
 BDP-S370入手しました。何か不具合で出荷停止になっていたようですがちょうど?再開後だったようでネット購入で5日程で届きました。ソフトウェアバージョンもM04.R.711で末尾708以降は対策済みのようです。

BDP-S370


 さて、SACDを176.4kで出力するとのことなので、試してみました。最初、176.4kでリンクはしていますが音が全く出ません。DN-HDMI4000ASは、176.4kの場合、HDMI側のみ出力されて、SPDIF側は出ないとの情報もあり、BDP-S370はレートは選べずどうも176.4k固定出力(実際はAVアンプ側の能力で自動選択だと思います)。これはまずったかと思いましたが、設定を見た後もう一度試してみるとちゃんと出ました。やはり再生対応のAVアンプ等をHDMIで接続していなければ再生されない点は変わりません。何らかの手順をふまないとSPDIFには出てこない可能性が高そうです。もしあるようであれば、何度か使っていればわかってくると思います。

 同軸のほうは、RME RayDATのSPDIF受信ポートに接続して確認しました。

RayDAT_Setting

 上図のInput Status/Pref.Sync RefのSPDIFがDN-HDMI4000AS経由のBDP-S370の入力です。176.4kHzと表示されています。
 ちなみにRME RayDATは、ハード処理かソフト処理かわかりませんが、なにげにSRC処理をしてくれるようで、異なるサンプリング周波数の入力も受け付けてくれています。これはたぶんきっとRayDATに限らずRMEのAudioIFは対応しているのではないかと思います???。Lynx AES16eの場合AES16e-SRC とSRC対応のバリエーションを設けていますし、少なくともkonnekt24DはできませんのでどのaudioIFでもできるわけではないと思います。 
 SPDIFは同軸も光も両方とも(同時に)出力可能です。
光のほうは、Matrix mini-iは192kまで対応しているのでこれで試して受信できました。
MultiDAC用にはTORX147を購入しているのですが、このレシーバーは実力では受信可能かもしれませんが176kに対応できません。何か考えないといけないか...

 2LのBDも試してみました。↓これ

2L_Nordic_sound

2.0 LPCM 24/192kHzについては、192kHzで出力されました。最初は96kHzになっていましたが、いろいろやっているうちに192kHzで出るようになりました。こちらも同軸、光どちらもOKです。
BDP-S370のSPDIF同軸/光からは48kHzでしか出力されないようです。

***訂正10/31***
RayDATにSRCがあるというのは、聴感上あまり違和感がなく聞こえていただけで、勘違いの可能性が高そうです。
Fidelixさんのサイトで紹介されているジッタ測定方法で、multiDACと所持中のDAC Matrix mini DAC と  Audio-gd DAC19MK3を測定してみました。

 測定系
 
 PC(Frieve Audio) ==IEEE1394==> Konnekt24D ==SPDIF(RCA MultiDACのみTOS)==> DAC  ==アンバランス==> Konnekt24D  ==IEEE1394==> PC(WaveSpecrta 1.40)

測定条件
 
再生ファイル 11025Hz+229.6875Hz.wave  44.1kHz 16bit Fidelixさん提供
再生ソフト  Frieve Audio 44.1kHz 24bit ot 48kHz 24bit(88.2KHzにアップサンプリング後48kHz)

WaveSpecrta設定
画面縦軸  レンジ160dB シフト Auto
画面横軸 7000~15000 リニア
FFT サンプルデータ数 131072
FFT 窓関数 Blackman Harris 7Team
フォーマット 24bit/441000ss or 48000ss Stereo

48k
 48kHz 左から ①デジタル折り返し       ②Matrix mini          ③Audio-gd DAC19MK3      ④MultiDAC(BuffaloII ES9018)

44k
 44.1kHz 左から ①デジタル折り返し      ②Matrix mini          ③Audio-gd DAC19MK3   

 48kHzと44.1kHz差はあまりないようです。MultiDAC(BuffaloII ES9018)は現状24.5760MHzのCXOしか搭載していないため44.1kHzは測定できません。

 この測定上のジッタ特性が良いのは、①MultiDAC(BuffaloII ES9018) ②Audio-gd DAC19MK3 ③Matrix miniの順となると思います。
 
 MultiDAC(BuffaloII ES9018)は、ES9018の効力かFidelix CAPRICEに肉薄しているようです。
 まだバラックで、CXOもつなぎにDigi-Keyで購入したCW528CT-ND(一個300円弱)を適当なハンダ付けで接続しているだけですが、このCXOの特性が以外と良いのか? ES9018のCXOが支配項で24.5760MHzのCXO(BCLKのソース)はあまり影響ないのか?どうなんでしょう?
 一応ES9018のCXOをFidelix Pure Rhythm 96MHz に換装予定で、24.5760MHzのCXOもNZ2520SD - 24.576000M - NSA3449C(日本電波工業)の換装予定ですが、あまり交換する効果は見込めないのかもしれません。
 
 Audio-gd DAC19MK3も善戦しているようです。Matrix miniは、CXO交換すれば改善するのかもしれません。

 E-MU 0404 Second Editionも一応持っていますが、いろいろと使いにくい面があり休眠中です。この測定結果からするとkonnekt24Dも互角程度の特性が出ているようなので持ち出す必要はなさそうです。

**訂正 10/25**
 多分Matrix miniのジッタの主要因はDIRのSPDIF受信データからのクロックリカバリによるもので、CXOのジッタはそれに隠れてわからない状態だと思います。CXOの特性だけではこんなに広い周波数レンジに亘ることになるとは思えません。
 Matrix miniのDIRはAK4113で、データシートにはロージッタPLLと謳われていますが、具体的な数値は記載されていません。ASRCも入って無いと思います。実際には測定結果のようにあまり良くないのでしょう。8k~216kまでのロックレンジに対応するとあり、対応周波数の広さも災いしているのかもしれません。したがって推測が正しければCXOを交換しても効果は期待できないと思います。
 DAC19MK3のDIRは、DIR9001で、"Low-Jitter Recovered System Clock: 50 ps"、最大でも100psとあります。少なくともMatrix miniのようなことにはならないはずです。
 ES9018はNon PLLの特許回路によってSPDIFからクロックをリカバリすることでジッタを低減しているとあるのでDIR9001と同等以上の特性を持っていると思われます。

**追記 10/27**
 Matrix miniのTOS入力の場合と、96kにアップサンプリングした場合も試してみましたが、ほとんど同じ傾向でした。

 EM-DAC 4399Dについて、いくつかのパターンを実施してみました。
 EM-DAC 4399DはSRC4192を積んでいてその出力サンプリングレートを48k,96k,192kを選択できます。またデジタルフィルタ特性SHORTとSHARPが選択できますが、これらのモードを変更してもほとんど変化は見られませんでした。

4399cxo
48kHz 左から ①三田MTX50       ②ABRACON ACO-EK          ③EPSON SG-51P
EM-DAC 4399D

 水晶発信器が3つあるので、3種類を変えてみましたがこちらもほとんど変化は見られませんでした。
 
 
  







 TOSやI2S/DSD伝送HDMIコネクタ、BuffarIIへのインタフェース等の回路およびクロック回路をIO&Clockボードと称して上下2段組で基板を起こすつもりです。下図がその実装イメージでIO&Clockボード上段側をDE0のGPIOコネクタに上から挿す形で実装します。下段は上段と約20mm高のコネクタで接続します。
 2層基板の配線密度がどれぐらいとれるかやってみないとわからないので、基板の大きさはもっと大きくなるかもしれません。
IO実装
  IO&Clockボード実装案 (クリックで拡大)

 DACとの接続信号には、アイソレータ(TI ISO72xx)を入れます。buffaroII用はIOボードに実装し、外部DACの場合はDAC側に実装。
 クロックは別電源。電源フィルタや、各デバイスへの接続はもう少し調整する予定です。


IO回路図1

  IO&Clockボード回路図案(1/2) (クリックで拡大)

IO回路図2

  IO&Clockボード回路図案(2/2) (クリックで拡大)


MultiDACと接続する予定のDAC、SACDP、コントローラー用のHDMIケーブル送受信回路を一緒に作り、基板を切り取って使う予定でいます。(本当に出来るのか?)

HDMI送受信回路
 
 HDMI送受信ボード回路図案 
(クリックで拡大)
1.DAC用はLVDSレシーバ=>アイソレータでアイソレータの一次側までMultiDAC側から給電します。
2.EM-DAC4399D/4399Qの場合EM-DACがISO7240xを既に実装済のためそちらを利用します。したがってLVDSレシーバもEM-DAC側で給電。
3.SACDP用は、アイソレータ=>LVDSドライバの構成。アイソレータ一次側までSACDP側の電源を利用し、2次側以降MultiDAC側から給電。
4.コントローラはLVDSドライバでadatEを2本とレシーバでMCLKとadatEを1本受信。電源は、HDMI経由で5V電源を供給しFPGAボード(Allow Electronics LPRP )用に給電し、LPRPから3.3Vを給電。

 挫折せずにできるか心配ですが、これからP板.com 回路設計CAD CADLUS Circuitとパターン設計CAD CADLUS Xを覚えて、P板.comで基板を作成するつもりです。完成はいつになるやら...

Author:kou
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