Foobar2000 PCM到DSD实时转换软件设置、音质体验与工作原理

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Foobar2000 PCM到DSD实时转换软件设置、音质体验与工作原理



无论是随身听播放器还是USB接口的DAC产品，对DSD音频的支持在这一年多里变得越来越普及，而从2011年10月得益于PS3的破解，SACD Rip内容流出至今已经过去了近五年，索尼以默许甚至鼓励的态度来推广这些明明是盗版的SACD的录音制品，支持DSD播放的硬件设备也越来越多，甚至可以说达到了普及的程度。DSD是否带来了更好的音质？可否将所有的PCM音乐全部转换成DSD？这么做是否可以有音质提升？这些答案都是肯定的。而本文主要来讲解如何通过Foobar2000设置，让所有的PCM音乐，包括16bit／44.1kHz或者高清的24bit／96kHz的音乐，都让USB DAC以DSD的形式播放。并且会谈到简单的工作原理。




需要使用的工具与功能




Foobar2000播放DSD应该使用的工具




原本，我们打算先写一篇在Windows10下设置播放DSD的文章，因为在最近测试各种USB声卡时在Windows ASIO下确实遇到了一些问题。如今在Foobar2000下播放DSD和2012年时写的文章内容其实有了一点点变化。虽然工具还是那几个，但版本升级带来了实用方法和界面上的区别。我们在谈到PCM到DSD转换之前，先来简单说明一下这几款工具现在的版本和变化。




首先，整个测试基于Foobar2000的较新版本1.3.10正式版，要在USB模式下播放DSD的音乐，当然需要安装用来识别常见SACD Rip封装文件的插件。在Foobar2000中，这个插件叫做foo_input_sacd版本是0.8.4。同时，USB声卡需要以ASIO的通道来传输数据，需要安装Foobar2000的ASIO插件，目前的版本是2013年的一次更新为2.1.2.由于以上两个小插件的更新，其实如果只是播放DSD，已经不需要安装ASIO Proxy这个插件了。下文我们会谈到。




但是要玩PCM到DSD的实时转换，或者希望切换DSD的工作模式是Native还是DoP，还是需要安装ASIO Proxy，这里推荐安装最新版本0.9.2，这是一个在2016年8月刚刚更新的版本。这个版本其实就解决了0.8.x版本在Windows10下运行不稳定，设置窗口经常无法弹出的问题。



至此，都安装上了最新版本的ASIO插件、SACD插件和ASIO Proxy插件后，Windows10下的Foobar2000播放DSD应该是没有任何问题的。下面我们来聊聊ASIO Proxy这个插件的强大功能。




ASIO Proxy插件的功能




ASIO Proxy插件的名字有点奇怪，听起来以为是给声卡的ASIO做一个设置的代理，但从功能上来说它其实是一个DSD到ASIO的通道管理器。在0.7.x的时代，我们虽然安装了Foobar2000的ASIO插件，但在播放设备中还不能如图下红框内直接看到DSD ASIO播放设备［这是新版插件的功能，2012年－2013年还不可以］。所以，我们必须要安装ASIO Proxy，在里面设置需要用于DSD输出的ASIO声卡设备。而现在已经不需要了。






Foobar2000 DSD播放设置-ASIO/DSD插件下直接可以选择播放设备



那么ASIO Proxy有什么功能呢？在0.7的早期版本，ASIO Proxy除了选择管理声卡ASIO设备外，还可以选择这个设备工作的模式。当年DoP1.0的规范刚刚出现。而现在还有了DoP的1.1规范，DSD ASIO Native规范等等。而在之后某个版本，ASIO Proxy开始加入了DSD to DSD、PCM to DSD的转换功能。至少这在0.8版本中已经出现，这个时间应该已经有两年多了……但我们忽略了这个强大的功能一直没有使用。直到前几个月，Mac上的Audirvana播放器升级，说支持SDM转换了，研究了一下才明白，原来这就是PCM到DSD的实时转换器。也就是说，我们平时使用的PCM规格的音乐，通过ASIO Proxy，经过简单的设置是可以全部以DSD的方式输出播放的。也就是说16bit／44.1kHz的音乐也可以以DSD64或者DSD128格式播放，可是这有意义啊？我们接下来说说它的简单原理。





PCM转DSD音质为什么会更好？

跳过或减少Delta-Sigma DAC的多比特多阶调制器



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Delta-Sigma ADC和DAC工作流程图






如图所示，这是转载自DSDGudie的一张Delta-Sigma ADC和DAC的工作流程图。我们先来看DAC部分，即后面那个橙色方块的流程。Delta-Sigma是A/D和D/A的一套独特的方法，大概从上世纪80年代起即进入了这一类DAC独当一面的时代，我们目前使用的DAC芯片，全部为这一类DAC。Delta-Sigma的实现方法很难用一个通俗易懂的例子来讲解，目前来看只能用数学的方法来描述，这里先不做讲解。




但从音响发烧友的角度，用发烧友常用的词汇来谈谈Delta-Sigma DAC和我们常见的一些玩法和说法。首先，如上图可以看到它将这个模块标注为Oversampling DAC，即这种类型的DAC是要做升频的。因为44.1kHz的采样率相对较低，而低通滤波又不可能像数字上看到的那么理想，所以必须要把噪声推到更高的频率段。所以，Delta-Sigma DAC要做多阶的调制，对PCM规格的信号进行升频，并且做1bit化的输出。这个过程一般习惯称之为SDM即Sigma-Delta Module.所以，任何Delta-Sigma DAC都具有解码DSD的能力。老产品不支持DSD解码，是因为在设计上的数字通道没有留下硬件上的接口，而不是DAC的问题。




将PCM转换为DSD 1bit输出其实并非SACD之后的专利和产物，从历史角度来说，SACD还应该是从Delta－Sigma DAC上获得了灵感而彻底优化后的产物。我们知道，在80年代很多CD机有1bit的解码技术，例如知名的飞利浦DAC7［这不是一颗芯片］，而是TDA1547 DAC和SAA7350芯片的组合。因为设计师看不上TDA1547内的SDM,而外加一颗芯片SAA7350专门做三阶调制和数字滤波。所以，今天一些DIY产品只使用TDA1547是不可能做出DAC7的味道的。而在那个时代，由于集成在DAC内的SDM性能指标差，所以外置SDM和外置数字滤波器的方案很常见。这样看似费力的方案，其实性能确实不输给今天集成度很高的单一DAC芯片。但是，和优秀的DAC相比，例如CS4398已经有五阶的SDM，现代的DAC可能会更好一些。




Delta-Sigma DAC用一种特别的方法对D/A进行处理，升频、波形重整的过程大体上说牺牲了速度而换取了精度。升频的好处对于信噪比来说显而易见，噪声被移到了很高的频率段，对模拟低通滤波来说设计更为方便。但，也正是SDM的多阶过程的每一个变化都会产生相位上，时钟上的失真。也因此我们一直在谈论说，数字音频对时钟要求多么多么高。这其实是Delta-Sigma方法和PCM编码带来的问题，而并不是所有数字音频的问题。当然，在CD机时代，电动机的伺服系统的时钟也同样重要。




我们能否避免SDM带来的失真呢？DAC7和80年代的1bit DAC设备告诉我们一个方法，用更好的芯片来完成这个工作。不同时代有不同的做法。第一，我们在ADC时就直接使用高采样率，对于AD和之后的DAC来说，它可以少做升频，减少失真，降低时钟Jitter的影响。这也就是为什么我们听24bit/96kHz的音乐更好听的道理，并不是因为你听到了什么20kHz-48kHz的超声波，也不是因为96kHz的采样率记录了更多的节目信息，而是降低了SDM的负担，减少了DAC内部的失真［ADC同理］。但这还不彻底。彻底的方式，就是不经过SDM，直接输出。可不可以？




当然可以，播放DSD得到好的音质就是这个道理。而我们现在要用软件来实现SDM更是可以，用电脑的CPU配合播放器软件来完成整个SDM的工作，而只使用DAC芯片内的DSD解码部分。所以，从理论上来说这是完全成立的。






PCM不同规格信号与DSD信号的频域噪声信号分布图



图片转载自DSD-Guide.这张图片的意思不是说高采样率和DSD拥有更多的信息，超声波配合你的超能力，所以听起来就更逼真。而是说，将噪声放在更高的频率段，明显更容易被模拟器件的滤波器滤除干净。



也许你还不相信CPU和软件算法的能力？我们不如回到ADC，即你听到的录音制品制作的过程。即便是DSD64的SACD内容，它也是基于24bit或者32bit的384kHz或者352.8kHz的PCM录音下，通过SDM转换而来的，而不可能是DSD直接录音的。为什么这么说，因为目前DSD音乐无法做后期编辑处理。其实，24bit/352.8kHz已经并不比DSD64差了。



小结：我们这里做一个小结，来说明Delta-Sigma DAC在解码PCM、解码高清PCM、解码DSD时差别的原因是在于它内部的SDM需要工作在什么状态。简单的说，我们使用24bit/96kHz[或更高采样率]是让了DAC内部的整形做更少的工作，而不是听到超声波。而我们用软件的方法做升频，也是同样道理——软件的升频其实是为了DAC内部不升频。而DSD是更彻底的方案，下面要做的就是用软件来实现PCM到DSD转换，让播放音乐时DAC直接进入DSD状态。




设置方法与主观听感



Foobar2000 DSD设置之ASIO Proxy0.9版本 PCM-DSD转换设置




在这套设置中，PCM到DSD转换和播放DSD音乐其实没有什么差别。这里直接进入设置方法，安装的插件请见前文。ASIO Proxy 0.9版本如图所示和0.8版本相比有所变化，看起来更为直观。在安装好该软件后，在ASIO设备中可以看到dsd-asio选项，双击单开，如图看到界面。这个界面顶部可以选择要使用的声卡设备。如图我们使用FiiO ASIO Driver。





Foobar2000 DSD播放设置-ASIOProxy 0.8版本设置界面




而图中有五列内容，第一列已经是现成的采样率，标明了Input。它是指一个输入条件，即你在播放该采样率、该格式的音乐时会做以下四个项目的转变。Output是指以什么形式输出，可以选择DSD64、128和256.DSD256或512，必须要DSD Native才可以，DoP1.0是不可以的。




Foobar2000 DSD播放设置-PCM实时转换DSD界面-ASIO Proxy0.9版本设置界面



Converter内，是四个类型的SDM，Type ABCD，没有找到ABCD的官方说明差别。Sample&Hold,不太明白，好像是DSDto DSD时的升频，似乎没太大必要了。DSD64和DSD128的差别真得听不出来，更不要说DSD512了。DSD Mode有常用的DoP和Natvie，当然还有两个独家的方案。





Foobar2000 DSD播放设置-PCM实时转换DSD界面-ASIO Proxy0.9版本界面与CPU占用率情况



如图所示虽然是FiiO的Driver,当然只是我们一个实验性的设置，经过测试，飞傲的播放器USB DAC模式是可以支持DoP和Native两种模式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运算量，如截图所示，我们是在做一个24bit/96kHz到DSD64的转换，在Macbook Air的i5 4250U [1.9GHz 双核超线程，带超线程的i5……] CPU下，需要7%-15%左右的CPU占用率。




而对比macOS下的Audirvana Plus的SDM，Foobar的这套精度应该还比较低，这款播放器下的SDM可以选择7阶和8阶[CS43xx系列是5阶，而DAC7是3阶]的精度，CPU占用率要比这个高2-3倍。我们会单独写一篇Aurvana Plus的滤波器功能的文章。




主观听感




最后，再做一次说明。在看过前文后，我们应该不会纠结44.1kHz如此低采样率的音乐文件转换到高采样率甚至DSD有什么意义？我们以前将44.1kHz升频到352.8kHz或更高，不是要得到更多的信息量，虽然看上去文件是大了不少。它的意义是要让DAC的SDM避免或减少升频、调制工作。而现在我们做的更彻底，把它转换成DSD。这同样或者从来就不是一个信息量的问题，而是对DAC芯片内的工作模式和工作方法有所不同。你听到的完全不是做PCM时DAC工作的单元，而是芯片和电路DSD部分输出的信号。而其实DSD解码基本不需要DAC做什么工作，只是一个通道管理，滤波输出罢了。而PCM是需要做SDM大量的运算工作转换的。而这里，我们用了更高精度的算法让电脑的CPU来完成这部分工作。




主观听感的差别也是相当正面的，这与我们以前玩的升频带来的差别还是较大的。无论是电脑CPU还是随身听、或者声卡专用的芯片进行升频，一般会带来听感上差异的主要特点是声音密度，低频会变得结实，声音厚度会稍有改善。但SDM后直接通过DSD输出，会带来更大改善。



理论上，不同芯片DSD和低通滤波还是有差异，但是我们对比了Mojo、乐之邦02Mark2、06MX，飞傲X7等DAC基本得到了同样的声音变化特征。在DSD模式下，输出整个声音背景的安静程度会有比较大幅度的提升，这对于喜欢追求背景“黑度”的玩家来说和耳机玩家来说是一大福音。其次，整个声音的后延瞬态变得干净而平滑，就是声音收紧的这个瞬态更为自然细腻。如果对比PCM状态，哪怕是24bit/96kHz,也会觉得它的瞬态发糊，这主要发生在中频和低频。而对高频的改善，同样是这部分瞬态，声音的边缘圆滑了很多，相比PCM状态就是毛刺感明显。这种变化不需要你有多么高级的设备，一套入门设备，同样可以轻易的体会得到。




总结




原本我们打算写这篇文章只是谈谈ASIO Proxy新版本对于Windows10兼容稳定性，恰好又发现了SDM转换的魅力，同时也研究了为什么用CPU去做SDM可以带来好声音的简单原理。关于Delta-Sigma DAC和ADC的细节目前还没有找到一个简单易懂的方法阐述，但对于发烧友来说，前文的道理已经说得比较明白了。对于可以支持DSD的声卡用户来说，还不赶快用ASIO Proxy设置一下，听听声音带来的变化。



而每每谈到DSD总会说到版权问题，但索尼作为SACD几乎惟一的技术倡导者，明显是在默许这类软硬件的使用。不然，自家以及众多日本厂商也不会推出支持DSD播放的解码器。所以，我们认为这是索尼开放的态度，以独特的方式让很少一批的发烧友更多领略SACD和DSD的风采。也许在恰当的时候，我们有可能看到DSD音频技术在互联网音频中的应用出现。

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谢谢,客气,大家相互学习.