Эволюционный путь звуковых карт Asus Essence STX глазами инженера-аудиофила, часть 1
Часть 1 Во все времена, параллельно с развитием человечества, рос объем информации, создаваемой людьми. Многообразие всех ее форм не поддается исчислению — от музыки до математики. Однако всегда были и те, кто старался максимально качественно информацию сохранять и передавать. Это привело нас в информационный цифровой век. И если обрабатывать статически воспринимаемые данные (изображения, например) человечество научилось очень хорошо, то с процессами реального времени (такими как музыка) до сих пор остаются проблемы и много неясностей. В процессе перехода от аналоговых носителей к дискретным цифровым выяснилось, что человек обладает большой чувствительностью не только к качеству самого исходного сигнала, но и к его временно́й нестабильности и побочным составляющим. Все это вынуждает производителей цифровой аудиотехники повышать качество своих продуктов сразу по нескольким направлениям, стараться соответствовать объективному (измерения) и субъективному (качество звучания) контролю.
В новом цикле статей мы рассмотрим продукты компании Asus, претендующей на лидерство в сегменте компьютерных компонентов. Будут даны объективные и субъективные оценки, а также рассмотрены примененные технические решения. Целью этих статей является попытка обратить внимание не только потребителей, но и производителей на то, что́ получает потребитель. Что́ хотелось бы улучшить в существующих продуктах, для того чтобы они вышли на новый уровень качества.
Восхождение компании Asus к вершинам завоеваний в сфере компьютерных решений для аудиорынка началось в уже далеком 2009 году. И началось все с выпуска звуковой карты Asus Essence STX, которая на тот момент являлась одним из самых качественных решений для вывода звука из персонального компьютера. Однако с момента выхода данной карты на рынок прошло уже более 5 лет — самое время разобраться, что́ представляет собой эта карта на взгляд инженера, слушающего музыку, и что изменилось за эти годы.
По Asus Essence STX было написано много обзоров, которые без труда можно найти на разнообразных ресурсах, однако стоит выделить главные отличительные черты, благодаря которым эта звуковая карта смогла «раскрутиться», стала наиболее заметным продуктом, с которого уже другие производители, включая таких известных, как Creative и Onkyo, брали пример при разработке своих решений. Основной «движущей силой» маркетинга стал топовый ЦАП PCM1792A компании Burr Brown. Наушниковый усилитель на отдельной микросхеме TPA6120A, а также «правильные» разъемы RCA и джеки 6,3 мм тоже сделали свое дело. Косвенной, но далеко не последней причиной успеха стал высококачественный АЦП CS5381. АЦП такого уровня до этого ставились только в профессиональные решения, но никак не в бытовые. И хотя поставлен он был только для того, чтобы подчеркнуть высокие параметры ЦАПа при измерениях, это является большим преимуществом карты с точки зрения использования в звукозаписи и измерительном комплексе без больших денежных затрат. Также серьезным, но опять же не главным преимуществом карт Essence STX является наличие поддержки полноценного ASIO. И хотя многим это не кажется существенным, на самом деле это является основным плюсом карты для начинающего аудиофила. Позже этот аспект будет рассмотрен подробнее.
На этом преимущества заканчиваются и начинаются недостатки. Первый и основной недостаток — это применение уже тогда устаревшего DSP, производимого компанией С-Media, OxygenHD CMI8787, рассчитанного на шину PCI. Дата выхода данного DSP — март 2005 года. По сути, DSP (digital signal processor) — это «сердце» карты, главный задающий генератор всех процессов реального времени, каким является воспроизведение музыки. И проблема тут не в возрасте как таковом, а в том, что этот DSP изначально при проектировании не предназначался и не мог обеспечить параметры столь высококачественного продукта, каким задумывалась карта Essence STX. К этому вопросу я еще вернусь, и не раз. Другими недостатками являются мелкие недочеты или даже ляпы, допущенные при проектировании карты. По сути, эти ляпы, никак не отражаясь на измеряемых параметрах, привели к очень неоднозначной оценке звучания карты. Вопреки превосходным измеряемым характеристикам, до сих пор не достигнутым ни одним подобным продуктом (в том числе и профессиональным), звучание карты пользователями характеризовалось эпитетами от «превосходно» до «ужасно». Это привело к огромному количеству попыток модифицировать карту: заменить операционные усилители на более благозвучные, изготовить внешнее питание и т. д.
Игнорировать данные факты было нельзя, и инженеры Asus также не смогли это сделать в процессе развития линейки карт Essense. Шаг за шагом исследуем, что у них получилось. На сегодняшний день мы имеем две модификации карты STX и одну модификацию карты STX II. Освободим их от маркетинговой шелухи в виде бесполезных «дизайнерских» экранов и рассмотрим суть.
Asus Xonar Essence STX Эти карты достаточно подробно описаны, так что укажу только различия.
первая STX, появившаяся в продаже
версия STX с мостом ASMedia
Первые две версии являются братьями-близнецами, если рассматривать узлы ЦАП/АЦП и аналоговую часть. Однако есть и различия. Вообще, если внимательно изучить обе платы, то видно, что изменения связаны в первую очередь с переносом производства на китайские мощности (до этого карты производились на Тайване). Видно, что изменился цвет лака, и само покрытие стало менее равномерным, но в целом ухудшения качества не произошло.
первая STX
обновленная STX
Обращает на себя внимание, что ревизия у более новой карты младше по номеру. Возможно, обе этих версии были спроектированы примерно в одно время и отличаются местом производства.
Первое и самое основное отличие — это использование другого моста PCIe—PCI. Первая STX имеет мост PLX8112 компании с одноименным названием, которую уже купила Avago Technologies. Вторая версия STX имеет мост ASM1083 компании ASMedia. Этот же мост стоит и в STX II.
мост PCIe—PCI PLX8112
мост PCIe—PCI ASM1083
Оба этих моста можно встретить на современных материнских платах при организации PCI-слотов (ведь шину PCI современные южные мосты больше не поддерживают), и отдать одному из них предпочтение не представляется возможным. Однако есть одна тонкость: на картах STX для моста ASM1083 дополнительно установлен кварцевый генератор на частоту 33 МГц. Этот генератор тактирует внутреннюю PCI-шину карты и DSP, в то время как в случае чипа PLX, судя по всему, PCI-шина тактируется от системной шины PCIe компьютера. Что из этого предпочтительнее, возможно, покажет прослушивание карт. С точки зрения функциональности никакой разницы нет. Возможно, переход на другой мост PCIe—PCI связан с тем, что он просто оказался доступнее.
Есть между двумя версиями STX и еще одно интересное отличие — незаметное, но делающее карту более живучей. Ранее находились пользователи, которые умудрялись вставить разъем дополнительного периферийного питания вверх ногами. Естественно, это приводило к выходу карты из строя из-за подачи вместо 5 В напряжения 12 В. Теперь же вместо простых индуктивностей, работающих в роли перемычки, инженеры Asus установили защитный элемент нового поколения — PolyZen ZEN056V130A24LS.
PolyZen и принципиальная схема
Он представляет собой комбинацию из теплового предохранителя многократного действия, защищающего от превышения тока, и стабилитрона, защищающего от превышения и скачков напряжения. Защита от превышения тока поможет, если пользователь ошибется и неправильно вставит ОУ — карта не сгорит из-за перегрузки или КЗ в цепи питания. Защита от перенапряжения поможет выжить при перевороте периферийного разъема питания.
версия STX с защитным элементом PolyZen
первая STX: стоят обычные, не защищающие дроссели
Есть еще небольшое отличие между картами в плане организации питания +5 В для ЦАПа и сервисных цепей, однако оно, скорее, относится к ляпам и будет рассмотрено позже.
Кроме описанных изменений, есть несущественная разница в комплектующих и в разводке самой платы. Обращает на себя внимание то, что DSP стал располагаться дальше от ЦАПа, а значит, путь сигнала удлинился. Повлияет ли это как-нибудь на измеряемые параметры или субъективное качество звучания, выясним далее.
Asus Xonar Essence STX II Существенно обновленная STX. Здесь объединены преимущества незаслуженно забытой в этой статье PCI-карты Essence ST, возможности подключения дополнительной многоканальной платы Xonar HDAV H6 и преимущества STX в виде слота PCIe. Но это еще не все.
Xonar STX II
Xonar HDAV H6 (идет в комплекте)
Компания Asus прислушалась к мнению аудиофилов и «твикеров» аудиокарт, внеся изменения в свой продукт. Что не может не радовать.
Осмотрев STX II, можно констатировать, что качество исполнения печатной платы стало превосходным, даже лучше первой STX. Делают в Китае, с ревизией вообще ничего не понятно.
STX II
Как и в версии STX с мостом ASM1083, в STX II периферийный разъем питания защищен от переворота защитным устройством PolyZen.
STX II с защитным элементом PolyZen
На мой взгляд, плата стала выглядеть симпатично — как по качеству, так и по более продуманному расположению узлов. Появилось видимое разделение (хоть и весьма условное) на аналоговую, цифровую и питающую части. Хочется надеяться на более грамотное распределение земляных шин, но этого, из-за многослойной структуры платы, не узнать.
Исчез разъем входа Aux, который до сих пор ставили — неизвестно зачем. Раньше он предназначался для подачи аудиосигнала с привода CD-ROM или TB-тюнера, но уже лет 15 как для CD-ROM не нужен такой вход, а тюнеры давно научились передавать звук по шине PCI.
Следует отметить, что в картах серии Essence нет возможности передавать аналоговый сигнал со входа на выход, как в кодеках, без преобразования сигнала. То есть любой сигнал, поданный на вход, сначала оцифровывается АЦП, микшируется в цифровом виде в DSP и после этого поступает в ЦАП, снова преобразовываясь в аналог.
Однако не будем отвлекаться от главного — рассмотрим основные отличия новой карты от предыдущих:
Установка современных стабилизаторов серий TPS7A47 и TPS7A33 для питания операционных и наушникового усилителя. Установка основного задающего кварцевого генератора для DSP. Использование пленочных конденсаторов Wima в линейном выходе карты. Введение дополнительного режима усилителя — для наушников сопротивлением 16–32 Ом. Установка разъема для подключения дополнительной карты HDAV H6. Включение в комплектацию карты ОУ Muses 8920, Muses 8820 и хорошо зарекомендовавших себя LME49720NA. Применение стабилизаторов серий TPS7A47 и TPS7A33 является поистине подарком. Параметры их настолько хороши, что еще несколько лет назад сложно было представить такие стабилизаторы в одночиповом исполнении.
TPS7A47 и TPS7A33
Например, рассмотрим подавление пульсаций для старых LM7812, применявшихся в STX:
уровень подавления пульсаций в зависимости от частоты для LM7812 и LM7805
Как видно, выше частоты 10 кГц подавление помех из питания существенно падает, а выше 100 кГц — по сути отсутствует. Производитель не стал приводить эту часть на графике, потому что там просто резкий обвал. И вообще этот график является довольно оптимистичным — при том, что основные помехи в компьютере являются высокочастотными. Сами преобразователи для питания ОУ в карте работают на частотах 280 и 500 кГц.
У стабилизаторов отрицательного напряжения LM7912 все настолько хуже, что производитель даже стесняется приводить график подавления помех. Приводится лишь значение на частоте 120 Гц — от 54 до 70 дБ. Скорее всего, поэтому инженеры Asus вообще не стали ставить в STX стабилизатор на −12 В.
Теперь рассмотрим подавление помех TPS7A47 и TPS7A33:
уровень подавления пульсаций в зависимости от частоты для TPS7A47
уровень подавления пульсаций в зависимости от частоты для TPS7A33
Видно, что эффективное подавление пульсаций выше на порядок — практически до 1 МГц. Графики уровня шума приводить не имеет смысла, у новых стабилизаторов он меньше примерно в 20 раз. То есть в целом можно констатировать, что новые стабилизаторы эффективнее старых на порядок.
Теперь рассмотрим генератор.
кварцевый генератор 24576 кГц
Ничем особенным и примечательным он не отличается, к тому же не имеет собственного стабилизатора напряжения питания, а питается от питания DSP-процессора напряжением 3,3 вольта, которое, в свою очередь, поступает без какой-либо стабилизации напрямую с материнской платы. Причем не поставили даже ферритовую бусину, чтобы получить развязку от самых высокочастотных помех. Точность кварцевого генератора, обычно указываемая в многочисленных рекламных проспектах (1–2 ppm), имеет весьма косвенное отношение к его фазовым шумам (которые как раз почти никто не указывает). То есть изначально более высокая долговременная точность поддержания частоты не обеспечивает автоматически более высокое качество звука (меньший джиттер), поскольку джиттер является прямым следствием фазовых шумов генератора. Отсюда можно сделать вывод, что генератор скорее представляет собой маркетинговую уловку, чем приносит реальную пользу. Хотя справедливости ради скажу, что установка хорошего генератора в первую STX в таком же виде, как это сделали в STX II, дает заметный прирост качества. Но можно было сделать лучше. Видно, что в случае необходимости можно поставить и прежний кварц.
Wima в «выхлопе». Следуя аудиофильской тенденции, в Asus приняли решение ставить металлопленочные полипропиленовые конденсаторы в фильтр-сумматор линейного выхода.
Wima FKP-2
Вообще, само по себе это решение правильное, как с точки зрения маркетинга, так и с точки зрения качества звучания полипропилена в сравнении с лавсаном, который ставился раньше. Таким образом, удовлетворен пользователь, который хочет видеть побольше «разноцветных красивых кубиков» на плате, и при этом есть какой-никакой прирост в звуке. Впрочем, немного забегая вперед, вынужден признать, что уровень звука, обеспечиваемый всей серией Essence, все же не тот, чтобы была заметна серьезная разница между разными типами конденсаторов.
Еще одно заметное новшество — введение дополнительного коэффициента усиления для наушников сопротивлением 16–32 Ом.
панель выбора режима усилителя наушников
Данный режим был введен компанией Asus из-за многочисленных отзывов о плохой работе карты с низкоомными наушниками. Причем реализован новый режим на аппаратном уровне, за счет переключения усиления микросхемы TPA6120A с помощью микрореле, расположенных с обратной стороны платы.
реле включения усиления для наушников 16–32 Ом
При выборе в драйвере данной установки срабатывают реле, что приводит к усилению обратной связи и уменьшению усиления TPA6120A. Это теоретически должно приводить к меньшим искажениям и большей перегрузочной способности. Позже, при измерениях и прослушивании, выясним, так ли это. В целом это несомненный плюс, поскольку все остальные режимы реализуются за счет простого снижения максимальной громкости в DSP.
Также в новой STX II установлен уже знакомый по картам ST и HDAV1.3 Delux разъем для подключения дополнительной платы HDAV H6.
разъем для подключения карты HDAV H6
Сама по себе эта плата ничем не отличается от прежних, также организована на PCM1796, операционниках JRC2114 и LM4562. Однако на STX II немного улучшили разводку и добавили накопительные конденсаторы по питанию около разъема. Мелочь, а приятно, да и карта смотрится лучше.
Несколько слов об идущих в комплекте новых «аудио«операционных усилителях Muses 8920 и Muses 8820. Они являются разработкой компании New Japan Radio — одного из известных поставщиков недорогих ОУ, устанавливаемых в звукотехнику, таких как NJM4580, NJM2068. Усилители серии Muses, судя по всему, являются продолжателями этих линеек, имея улучшенные параметры, критичные для аудиоприменений. Эти ОУ обладают повышенным разделением между каналами, улучшенной симметричностью положительной и отрицательной полуволн усиливаемого сигнала, низким шумом в звуковой полосе частот. У Muses 8920 полевой входной каскад с хорошей устойчивостью к высокочастотным помехам и мощный выходной каскад. Это должно давать преимущество при использовании в преобразователе I/U. Muses 8820 имеет биполярную структуру и неизменный уровень шума в диапазоне от 20 до 10000 Гц — в отличие от микросхем с полевыми транзисторами на входе, где уровень низкочастотного шума выше. Это дает преимущество при использовании в схемах фильтров после преобразователей I/U. Остальные параметры микросхем не отличаются ничем примечательным.
Микросхема LME49720NA — это улучшенная LM4562NA, являющаяся, на мой вкус, одним из OУ с максимальным соотношением качества и цены, пригодных для преобразователей I/U.
операционные усилители, поставляемые с STX II
Видно, что тут инженеры Asus прислушались к форумам (или просто прислушались) и постарались предложить наиболее успешный и недорогой вариант ОУ. В дальнейшем всем комбинациям этих ОУ я постараюсь дать субъективную оценку звучания.
А сейчас перейдем к менее приятному занятию: рассмотрим некоторые из ляпов разработчиков. Начнем с хвоста, то есть с выхлопа. Еще с первой STX у всех, кто мало-мальски пытался разобраться в конструкции платы, возникал вопрос: зачем же в Asus поставили конденсаторы 220 пФ прямо с выхода ОУ на землю? На рисунке это конденсатор С1.
упрощенная схема выходного фильтра
Такого решения нет ни в одном даташите ни на один ОУ, как и в даташите на PCM1792A. Более того, это неправильно в принципе, поскольку при установке такого конденсатора выводится из равновесия петля обратной связи на высоких частотах. В результате возникает резонансный пик, который мы можем наблюдать при моделировании схемы.
симуляция с LM4562
симуляция с AD8066 (в реальной STX она самовозбуждается)
Разумеется, пик находится на высокой частоте, но и он может влиять на звуковые частоты из за менее стабильной работы ОУ в целом, на грани возбуждения. Также многие высокочастотные ОУ не могут работать с высокой нагрузочной емкостью, они тоже начинают самовозбуждаться. Максимальную нагрузочную емкость ОУ обычно указывают в даташите. В реальных условиях эта емкость может возникнуть из-за сложностей трассировки, большой длины линии или тяжелой нагрузки, а тут, в STX, это просто грубый ляп разработчиков, видимо незнакомых с приведенными фактами. Ляп перекочевал и в STX II.
Второй не менее странный ляп мы обнаруживаем при организации питания ЦАПа. Если обратить внимание, то наш Hi-End ЦАП PCM1792A получает питание своей цифровой части 3,3 вольта напрямую с материнской платы. Да-да, со всеми ее шумами и помехами. Ни на одной STX вообще нет стабилизатора питания 3,3 В. Есть лишь несколько ферритовых дросселей и накопительных конденсаторов, которые явно не в состоянии справиться с помехами. DSP — наши часы, точный клок — тоже питается напрямую от материнской платы. После этого уже не кажется удивительным, что у пользователей возникают такие противоречивые оценки карты: компьютеры-то у всех разные, у кого-то питание чище, у кого-то грязнее. Единственной причиной отсутствия линейного стабилизатора 3,3 вольта является отсутствие напряжения 5 вольт в разъеме PCIe (по спецификации материнских плат). Получать 3,3 из 12 вольт можно, но с учетом суммарного тока потребления моста PCI—PCIe, DSP и ЦАПа в 500 мА, плюс необходимость снижения напряжения на 8,7 вольт (12−3,3=8,7 В), получаем рассеиваемую на стабилизаторе мощность около 4 Вт (8,7·0,5=4,35 Вт), что потребует радиатора. Можно брать напряжение 5 вольт из периферийного разъема питания, но тогда, в случае, если пользователь забудет его подключить, карта вообще не определится системой и, соответственно, драйвер не сможет выдать сообщение о том, что разъем не подключен. Однако никто не мешал поставить стабилизатор на 3,3 вольта отдельно для ЦАПа, который потребляет всего 45 мА.
Еще одна странность заключается в организации питания 5 вольт для того же ЦАПа и сервисных цепей. Видно, что питание обеспечивается дешевейшим, шумным стабилизатором L7805 (график подавления им пульсаций был представлен выше). И если 20 лет назад это было вполне логичное решение, то сейчас использовать столь низкокачественное питание для топового ЦАПа — это какая то дикость. ЦАПу для качественного звучания нужно питание лучше, чем у ОУ. Что мешало заменить L7805 на еще одну TPS7A47 в STX II — загадка.
STX
STX ASM1083
STX II
Но проблема даже не в выбранном стабилизаторе, а в том, как организовано его питание. L7805 получает питание через несколько гасящих резисторов, прямо с периферийного разъема — сделано это для уменьшения рассеиваемой мощности на самом стабилизаторе. В первой STX эти резисторы были сопротивлением 3,3 Ом, а в версии STX с мостом ASMedia и в STX II их заменили на 2,2-омные. Однако не было учтено, что сам стабилизатор обладает петлей регулирования с ограниченной крутизной (грубо говоря, под импульсной нагрузкой на нем кратковременно может проседать напряжение), и теперь из-за введения резисторов в линии питания эта просадка становится еще больше и продолжительнее по времени (неоткуда брать энергию для быстрой компенсации просадки, так как резисторы ограничивают ток). Такая схема приводит к «картонному» басу или бубнению. Проблема решилась бы установкой еще одного конденсатора приличной емкости прямо перед стабилизатором, он являлся бы тем буфером (и дополнительным фильтром), откуда в пиках черпал бы энергию стабилизатор. Однако этого почему-то сделано не было — уменьшили лишь сопротивления резисторов, чего недостаточно.
Также я считаю довольно странной историю с отсутствием стабилизатора −12 В в первых STX. Место есть — стабилизатора нет.
отсутствующий LM7912 в STX
Как было сказано выше, эти стабилизаторы типа LM7912 имеют довольно посредственные характеристики, даже на звуковых частотах, но и стоимость их — копейки. И уж точно хуже бы от их установки не стало, зато у многих пользователей было бы гораздо меньше поводов лезть в карту для восстановления справедливости доработки.
Подводя итоги, я прихожу к выводу, что, несмотря на явное улучшение конструкции, повышение качества примененных комплектующих и расширение функциональности, карты Asus Essence до сих пор остаются неоднозначными продуктами, хотя и по-прежнему не имеющими аналогов на рынке. Впрочем, это говорит скорее о застое в нише компьютерных внутренних аудиорешений, чем о безальтернативности представленных на рынке звуковых карт для бытового применения.
В следующей части статьи будет много измерений и субъективных оценок звучания карт в сравнении друг с другом. Будут рассмотрены тонкости работы драйверов, ЦАПа, рассказано про практическое применение ASIO и для чего это нужно.
Продолжение следует…
Полный текст статьи читайте на iXBT
