你是否有想過為什麼有的音響品牌在推出DAC產品的時候，會特別強調以FPGA晶片自行開發呢？是否覺得這是個噱頭呢？

我們前幾天在國外的討論區上面看到有人在抨擊Chord Hugo不是真的全FPGA的DAC，是有用到別人的DAC做最後的輸出，然後就開始大聲疾呼Chord在騙人blah blah blah⋯⋯。這個就讓我們開始去想為什麼那個發文的人會這麼說？再繼續往下看討論串，開始有人回應比較模糊不清的FPGA DAC產品設計。最後，我們決定向有開發經驗的朋友還有晶片的官方文件、學術文章等來源開始找資料。

這個主題對於電子電機相關背景的人來說，絕對是小菜一碟。所以，我們這篇文章的其實也算是我們自己的讀書報告，把我們讀到的資料、品牌PCB板圖⋯⋯等等的資料，整理起來分享給音響發燒友們。

 

什麼是FPGA？

FPGA的全名叫做：「Field Programmable Gate Array」，可以簡單的當作是個可程式化的晶片，更可以把它當作是個空白的黑板，讓工程師們在上面做各式個樣的產品設計。當然，FPGA的應用不是只有在音響產業上，如下圖：

從上面的圖就可以知道，FPGA在生活上的應用是非常的多，不是只有在音響產業。

 

音響的應用呢？

FPGA在音響的應用，最常看到的就是數位訊號處理。也是大家認為的「數位類比處理」。從這裡開始，其實我們都犯了錯，因為FPGA輸入輸出是屬於數位轉數位(Digital to Digital)。原則上，要能夠構成一個完整的數位轉類比的流程，FPGA晶片後面一定要有數位轉類比的機制才能夠完成。下圖是訊號處理路徑的圖，可以參考一下。

看到這裡，大家是否會想，那麼，像是Playback Designs、EMM Labs、Chord、dCS、Nagra、MSB、Rockna Audio還有PS Audio⋯⋯等品牌他們是怎麼處理的？如果有拆開過那些器材的上蓋，或是看過別人拆上蓋的俯拍圖，基本上是看不到市售的DAC晶片，像是ESS、AKM、Texas Instrument或是Wolfson，那他們是怎麼處理FPGA晶片的輸出呢？

再回到剛剛的圖，我們多加了個東西：

剛剛所提到的品牌，他們通常也是用這樣的方式去處理FPGA輸出後的數位類比轉換的行為。但是為什麼是使用PWM + D類放大或是n-bit放大電路呢？目前最常見的做法是用PWM (Pulse Width Modulation) 。PWM可以產生1-bit訊號來控制D類放大器。不過，因為PWM是以升頻的方式來進行轉換控制，雖然會有很好的訊噪比 (SNR)，但同時也帶來了諧振與非諧振失真，所以在設計的過程中，noise shaping還有其他防干擾處理都必須小心設計。而，n-bit電路的例子就像是MSB、Rockna、TotalDac那樣的R-2R Ladder DAC架構，以多個電阻來控制訊號。

而這樣的解決方案，從90年代就有相關的學術論文與實際產品出來。隨著科技工業製程的進步，這類的設計也使得現在的一個完整的數位類比轉換器產品比早年的更有效率也更加好聽。以PS Audio的圖表為例，

下圖是幾個具備自主開發能力的品牌他們的DAC板的細節

那還有什麼應用呢？

有的品牌的選擇使用現成的DAC晶片，向ESS、AKM、Texas Instrument或是Wolfson訂製以某個型號的晶片來用，開啟、關閉一些需要與不需要的功能，剩下的就以FPGA來撰寫自己的數位濾波邏輯、時鐘校正⋯⋯等數位訊號處理的功能。例如說Benchmark DAC3、AURALiC的DAC產品、Linn、Boulder⋯⋯等，就是採用這樣的方案來製作自己的產品。下圖為Benchmark DAC3的內部圖：

另一個應用就是PS Audio新一代的電源再生，使用FPGA來控制電源輸出的方式，不過，官方沒有特別說怎麼處理，只有說用FPGA寫了一個DSD正弦波產生器 (?)；沒關係，我們也有黑人問號，只知道新的P12比P10好聽，P15海放P10，P20是目前電源再生的王者。

[2020.06.03 update]

關於PS Audio 的P3、P12、P15與P20內部的FPGA DSD正弦波產生器，依照原廠網站的介紹，所有電源再生都會經過幾個順序：交流電轉直流，接著透過獨家的FPGA DSD技術來將直流轉交流。

我們後來去找了一些相關的技術白皮書與IEEE的付費文章後，才了解，真的有FPGA針對直流轉交流的DSD (PWD或PDM) 的實際應用，也就是DC/AC Inverter(逆變器)。可以把FPGA當作一個電流的控制中樞，它可以更精確地管理電。PS Audio 新一代的電源再生器極有可能使用了這個技術。

再繼續前往DAC設計⋯⋯

無論是拿FPGA當核心還是用現成的DAC晶片來做一個音響DAC產品，最後還是要回到整體設計的幾個大方向：

  • 電源處理
  • 數位訊號處理
  • 類比訊號

大家如果仔細看，市面上最猛的、最好聽的DAC產品，他們除了數位強之外，在電源與類比訊號的處理真的是下足了功夫。

然後，回應到開頭說的Chord的事情，仔細看過Hugo、Hugo 2的電路，根本就沒有其他品牌的DAC晶片！Chord在FPGA晶片後面用了他們的「4e Pulse Array Discrete DAC」，來完成FPGA到完整數位轉類比這段路的拼圖。也呼應了我們前面說的，FPGA輸出最後還是需要一個機制來完成數位轉類比的程序。

 

最後⋯⋯

FPGA給音響工程師一個極大的空間去調整自己需要的功能。我們找的資料都已經是十幾二十年前的資料，這些基礎加上近幾年的晶片製程技術，已經開始有很多解決方案來達成以前只能存在在學術文章內的事情。也有很多解決方案或是workaround來製作高效率、高音質的音響訊源。不過，我們還是要重申：

  • 獨自的FPGA是無法構成一個DAC，它是數位的平台，它需要一個數位轉類比(convertion)的機制來完成我們印象中的「DAC」(converter)。
  • 大家都可以請人用FPGA撰寫要的功能，但不是每個品牌都可以做得很好。
  • 不是用了FPGA，這個產品就一定完美。
  • 在行銷上，使用FPGA真的是可以有種：「這個公司很有能力」的感覺。
  • 最後還是要靠耳朵驗收。

希望今天這個讀書報告對你們來說有點用處。