DSP PRE - AMPLIFIER PROJECT

A DIY DSP Pre-Amplifier Development Project


Introduction

ADAU1701を使ったFreeDSP SMD A/Bプロジェクトでは10名を超える方々に動作検証して頂きました、我ながら使いやすく手頃な処理能力のDSPボードが出来たと思って います。最近では自作しなくてもAliexpressで安価にADAU1701 実装済のボードが買えるようになってきました。 それでも、しばらく使い込んでいくうち更なる欲求が湧いてきました。 第1に複雑な処理や凝った 処理をするとアッという間に256ステップを超えて しまって192kHzでは実行できない事も多 く、ハイレゾで処理にしたくても96kHz動作を余儀なくさせられる事も多々あります。 第2にフルデジタルで各種ソース機器 と接続しようとするとSRC(サンプリング・レート・コンバーター)が無いためにシステム全体でひとつのクロックに合わせる必要があるので、多種類の音楽ソー スを頻繁に切り替えながら使うようなことは困難です、その具体的な理由はフィルターやEQの類はfsとの相対的なターンオーバー周波数になるためにfsが変化 したら フィルター係数を変更する必要があるので低レートからハイレゾまで扱わなくてはならないプリアンプあるいはコントロールアンプと呼ばれるような使い方が困難 な事。 第3にこのようなプリを使うようなユーザーの場合マルチウェイのスピーカーを使った中〜大規模なシステムの場合が多く3〜4wayのチャンネルデバイ ダーとしても対応できないと、別体のチャンデバを従列接続してたのではスペース的にも信号経路の長さ的にもデメリットが多いからです。 このようにプリの基本 機能として、畳み込み処理による補正処理や各種音楽ソースを全部接続したままで聴きたいソースを切り替えたり、マスターボリューム一個で全体の音量をコント ロールができて、さらにチャンデバ を内蔵にしてシステム全体をコンパクトにまとめたかったので、ADAU1701/1401の6倍の処理能力を持つADAU1466をコアに使ったメインボードを 作って、そこに実績のある各種I/Fカード類を接続することで容易にデジタル接続のソースを増やせるような、多機能で本格的なチャンデバ内蔵のDSPプリアン プが欲しかったので、無いものは創ろうということでこのプロジェクトを開始しました。

About This Project

今回のプロジェクトはパーツひとつ一つを完全に1からマウントするわけではないのでFreeDSP のプロジェ クトには属しません。 市販品をなるべく有効に活用して製作の手間を省くことを主眼に置いたプロジェクトにします。基本はフルデジタル接続としますが、既存機器との接続性 確保のために簡易的なアナログ入力を1系統だけ設けることにします。 将来的にはより高品位のADコンバータと高ゲインのフラットアンプ基板を搭載して DSPフォノEQ対応まで拡張することを構想に入れています。

Design Concept

最初は全ての部品を1からマウントして作るつもりだったのですが、FreeDSP SMD A/Bを作って検証して頂いた方々にアイディアを話してみたところ、ぜひ自分も作ってみたいという方が意外と多かったので、製作難易度を下げることでより多くの方がチャレ ンジ可能な構成にするのもよさそうに思えました。一番の理由はADAU1466のパッケージがリードレスなCSPのために、ハンダコテだけでの製作が困難とい う事でした。 そこで全ての基板を自作するという発想を脱して、市販されている基板を積極的にシステムに取り入れることで労力も低減できますし、場合によって は自分で作るより安く実現できる可能性もあったり、入手が大変な部品や高度な設計がされた機能を容易に追加できるメリットもあるだろうと考え直してモジュール 方式で機能を追加できるメインボードを作ろうと考えました。

設計のコンセプトがどのような用途を想定しているのかについて説明します。 DSPなのでソフトを 入れ替えれ ば様々な応用が可能なのは理屈ですが、私の想定した構成は以下のモジュールを使用するマザーホード的なものです。

機能の中心となるDSP CoreにはMusic Works製のMW-ADAU1466を採用、全く同じサイズでピ ンコンパチのMW-ADAU1452カードでも問題なく使えると思われます。このDSPは入出力各4系統のI2S/TDM のバスとS/PDIF I/Oを1系統持っていますので、出力側は最大で4wayまでのチャンデバなどを実現することができます。 入力側ソースは以下のような構成としました。

ラズパイ使用時で一番のメリットはSPI over IP技術を使ってUSBi機能をネット越しに使えるようになることです。フタを開けてUSBiを接続しなくても、気が向いたらすぐパソコンのSigmaStudioから書 き換えができるのが魅力です。


Hardware Development Project

Software Development Project


Project Histories


Pre-Development

とりあえず、開発環境を用意しないことには手が付けられないので、最低限必要な基板を一枚の板に貼 り付けました。DACは4系統まで接続できますが、手持ちの板の長さが30cmだったので3系統搭載しています。ラズパイの内蔵アンテナがあるため、市販の ケースでフルメタルのケースに密閉してしまう訳にもいかないので、ケースも自作する必要がありそうです。(25th,Feb.2020)

奥行きは10cmほどですが、とにかく横に長い! 鰻の寝床といった状態で、これじゃ1Uサイズのケースじゃないと入りません。薄型でカッコイイという言い方もあります が、現実的にはDAC基板を90度回転させて実装密度を上げないとダムダに大きなシャーシが必要になってしまいます。



Full Digital Amplifier 2way Crossover Integration

48kHz動作のバラック状態でとりあえず各入力をルーティングできることを確認したところまでで1年近く放置していましたが、TAS6422 Full Digital Ampを開発したのをきっかけにフルデジタル接続で一体型マルチウェイアンプシステムを構築することにしました。 TAS6422はI2S 接続で96kHzまで動作するのでDSPコアの動作周波数を96kHz に引き上げました、ADCも96kHz動作とし、各入力部分でASRCを使い96kHzにアップ( 192kHzからはダウン)サンプリング動作を行ってから、チャンネルデバイダー処理を行います、全ての処理を96kHzサンプリングで行って、そのままパワーアンプに送 るという構成にしました、使用したシャーシーの都合からRaspnerry-Piを搭載することができなかったのは残念ですが、96kHz/24bitサ ンプリングのADC入力、オプチカルS/PDIF入力、Amaneo Combo384を使用したUSBオーディオを入力ソースとして使えます。

かなり混み合っていますが、チャンデバ内蔵のフルデジタル2wayアンプができました、 S/PDIF出力でサブウーハー出力を出すこともできます。以下にこのアンプに搭載したSigmaStudioのプロジェクトを掲載します。

Integrated Amplifier with DSP 2way Crossover Dividing Network SigmaStudio Schematic

DSPの処理能力にかなり余裕があるので、MLSSAによる補正シミュレーション機能、ローエ ンド補正、バッフルステップ補正、ツイターとミッドバスのタイムアライメント補正、S/PDIF出力には3Dサブウーハー出力とフル装備のチャンデバになって います。入力の切り替 えはMP6/MP7の2ビットによる 4種類で中立オフのロッカーSWを使用し、USBを接続すると無条件でAmaneo Combo384が選ばれるようになっています。I2Sヘッダーには3wayぶんの信号が出ているので、ヘッダーにDACを3系統繋げば普通の3wayチャンデバになりま す。これらの処理を入れても590ステップで済んでいるのでまだDSPの能力の1/8程度しか使っていない事になります。なのでfs=192kHzでの処理も 可能です、MLSSA-SIM-FILEブロッ クに無補正状態で測定したレスポンス/位相のデータを読み込んでからProbeボタンとSitumilusボタンを押すことで補正後特性のシミュレーションが できます。 
(17th, Jan. 2021: サブウーハー音量がマスターボリュームに連動して ないと使いづらかったので修正しました)

Download DSP Firmware

SigmaStudio Project Archive File  --> DSP-TAS6422AMP_2way_96k.zip
Example MLSSA-SIM-FILE -->ND91_MLSSA_30cm_A.txt


Sound Impressions

デジタルボリュームのため左右バランスが正確なこと、音量を絞っても音色が籠もらないなどの 利点はもとより、小音量で夜聴いていてもヌケのよい輪郭が見えやすい音なのが特徴的で、 十分なビット長があるので小音量時でもビットが減って荒くなって しまうような感じは全くしませんでした、音源の音数が多くても濁らない、音像の定位が安定していて全く揺れない、圧倒的にS/Nがいいなどフルデジタルの 利点を十分に感じさせてくれる音がします。


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