以S-Master技术看Class-D数字功放发展方向

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以S-Master技术看Class-D数字功放发展方向

在我们对索尼的两款顶级Walkman产品进行测试的过程中，我们也希望通过对技术的进一步了分析，能够将我们遇到的问题更深一层的解决，最理想的状态是我们希望找到Z1050声音表现不佳的原因所在。而对于索尼高端Walkman播放器来说，它的核心技术就是S-Master数字功放，这个我们曾经忽略的重要技术。数字功放是否一定决定好音质？它与我们熟悉的传统功放、1bit功放、Class-D数字功放有什么不同？

              SONY 索尼 NWZ-X1050 便携影音播放器
S-Master数字功放是索尼音频类产品中广泛使用的技术，从随身听到家庭影院、音响等等都有使用。目前，索尼正在销售的家庭影院产品，有多个型号也使用了S-Master技术，如果大家还有印象在几年前Soomal曾经批评过的火武音箱同样使用了S-Master数字功放技术。
相信对于随身听老玩家来说，谈到数字功放，印象最深的应该是夏普在2000年以后发布的DR77等多款MD随身听产品[具体型号记不清楚]，在当时，只有夏普主推1bit数字功放技术。理论上来说，当年的1bit数字功放就与我们今天所说的S-Master、或者说纯数字功放是相似技术。而除了大家印象中1bit功放外，Class-D功放恐怕是近两年我们更多听到的一种“数字功放”技术。但我们在前一篇测评文章中谈到，Class-D是与数字功放[下文为了便于区分时会写作”纯数字功放“]是有一定差别的。
Class-D功放工作流程
Class-D功放在近年来的音箱中被广泛使用，习惯上我们也称之为数字功放，但由于它的整个工作流程是从模拟信号开始，并对输入的模拟信号进行调制得到脉冲宽度调制信号[PWM数字信号]，再对PWM进行放大，然后通过低通滤波得到模拟信号。Class-D与我们随后要谈到的纯数字功放或1bit数字功放不同在于它的输入信号为模拟信号，而它的“数字化”过程，即调制得到PWM信号的过程是对模拟信号进行比较得到的。这个过程如何完成？

Class D功放工作流程示意图



Class D功放 PWM转换过程示意图

如图所示，我们根据网络上找到的教程制作了以上示意图。从图中看到，我们假设有一个输入的模拟信号波形。而它的核心在于一个可以生成三角波的比较器。通过比较器生成的三角波对模拟信号进行调制，得到我们需要的不同脉冲宽度的调制信号，也就是Class-D过程中需要的数字信号。毫无疑问，三角波的精度决定了Class-D PWM的品质，也可以说是得到数字信号的品质的关键，与传统模拟放大不同，为了得到高效率的功放，Class-D的核心技术也就在这个重要环节。当然影响它的质量的还有对PWM的放大和低通滤波的过程。不过，索尼的S-Master并不是Class-D技术，它并没有对模拟信号调制，尤其是Walkman播放器，当然更容易得到的是数字信号。所以S-Master确实是纯数字功放。

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S-Master和纯数字功放工作流程

了解Class-D的原理，我们应该比较容易了解纯数字功放。首先，系统得到的信号是PCM数字信号，如图所示，作为功放、播放器设备在从数字接口层得到数字信号后很可能会加入一些DSP处理来实现我们熟悉的EQ、音效或者更高级的数字处理工作。接下来，对PCM信号进行PWM转换，接下来的工作都与Class-D功放类似。但PWM的转换过程不同。



数字功放PWM转换示意图



PWM的转换过程需要专门芯片或芯片中专门部分来完成，如图所示，与模拟信号处理不同。数字信号PWM是以信号等振幅为标准去获得频域上的调制，在等振幅下，PWM得到的是不同采样周期的脉冲宽度调制信号。这也可以称作是PCM信号到1bit转换过程。所以，数字功放也被习惯称为1bit功放[前文提到比较著名的是早年的夏普MD]。而在今天，夏普的家庭影院、平板电视产品仍然沿用1bit数字功放的命名方法。从纯数字功放PWM过程来看，它的品质同样与专门进行PWM的处理器有关，虽然索尼在Walkman中没有公布S-Master的具体参数，不过夏普电视倒是标明目前使用的1bit数字功放使用11.2MHz采样频率的PWM处理器。而索尼家庭影院产品称最新S-Master技术精度达到32bit，不清楚这个数据是对应到数字功放哪个环节。



理论上来说，无论Class-D还是纯数字功放，它们都比传统A类和B类功放的效率高得多，由于现有技术的支持在合理的成本前提下，可以比较容易实现精度理想的三角波比较器或者PCM－PWM 1bit处理器。而由于缺少技术资料支持，我们并不知道索尼S-Master技术在不同产品中到底达到了怎样的精度。而另一方面显而易见的是，数字功放用于随身听播放器，更加看重的是它的高效率、低功耗。

Class-D与S-Master、数字功放对应产品

我们在最近几年越来越多看到小型化音箱中开始使用Class-D功放，这与它的工作效率高、体积受限设计要求因素有关，更高的工作效率可以在有限的体积内实现足够大的输出功率，同时更高的效率会比传统功放发出的热量小得多。对于一些微型音箱来说，是非常必要的。当然，一些支持数字播放的音箱也会使用数字功放方案。不过，有趣的是索尼的S-Master在家庭影院、多媒体音箱产品中确实不是使用Class-D而是数字功放S-Master。



SONY 索尼 S-Master技术官方网站示意图

一般情况下，家庭影院、多媒体音箱如索尼曾经的火武音箱，模拟音源输入是主要功能。但索尼也表示在这些产品中使用的是S-Master技术。我们曾经对火武音箱进行过拆解，而索尼还专门为S-Master搭配了一颗ADC，用它将输入的模拟信号转换为数字信号。而Class-D的工作流程并不是这样的。



SONY 索尼 NWZ-Z1050 便携智能影音播放器-Cirrus Logic 47L0010芯片

那么，在索尼的Z1050、X1050中到底是通过什么芯片完成S-Master的呢？从Z1050的拆解来看，我们看到一颗Cirrcus Logic公司的芯片，型号为47L0010，这颗芯片的命名方式与Circus Logic公司的多款应用于移动设备的Codec芯片类似，但我们在官方网站找不到这个型号的芯片。我们推测，这颗芯片是索尼向Circus Logic定制的一颗集成芯片。它将完成S-Master数字功放，以及数字信号DSP处理和数字功放输出信号的所有工作。Circus Logic公司确实也擅长定制这样的DSP集成芯片。

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