ESS Hump

У продуктов с ЦАП от ESS можно встретить особый вид искажений, который получил “народное” название как “ESS hump” - горб на графике интермодуляционных или гармонических искажений от уровня основного сигнала.

В отчетах RAA этот “хамп” можно увидеть на графике гармонических искажений от уровня. На ресурсе AudioScienceReview - на общем графике интермодуляционных искажений. На графиках видно, что искажения возникают в определенной области уровня сигнала, примерно от -12 до -40 dBFS.

Причина возникновения ESS Hump

На данный момент считается, что источником таких искажений является некоторые неподходящие схемотехники обвязки для ЦАП от ESS.

С микросхемы ESS сигнал изначально поступает в балансном виде, как две небалансные линии, где одна из них инвертирована. Правильный вариант - это балансный выход с микросхемы сразу переводить в небалансный, независимо от того, какой выход требуется в конечном итоге у продукта.

Если на выходе конечного устройства необходим балансный выход, то соответственно сперва необходимо сделать перевод в небаланс, после применить фильтрацию и т.п. и лишь в конце небаласный сигнал отдельно преобразовывать обратно в баланс.

С точки зрения философии “настоящего баланса” порой делают иначе, исходные небалансные линии на протяжении всего тракта до излучателя не складываются, а для каждой линии применяется отдельная независимая обвязка. Этот подход хорошо себя зарекомендовал с ЦАП от других производителей, но оказался неудачным с современными ЦАП-ами от ESS.

Альтернативный вариант с возникновением искажений, когда на выходе надо получить небалансый сигнал. Самый простой и очевидный для многих способ - это взять сигнал напрямую с небаласного прямого вывода микросхемы, закоротив инвертированный (либо наоборот) вывод. В этом случае аналогично будут искажения ESS hump. Правильно же - это брать баланс и суммировать в небаланс. С технической точки зрения, отличный результат демонстрирует бюджетный Topping D10s, кто хочет глубже изучить вопрос схемотехники, начните изучать схемотехнику с его анализа.

Коварство этих искажений в том, что при измерении в RMAA или другом ПО и аппаратных комплексах на типовых сигналах на максимальных (0 или -3 dBFS) и минимальных уровнях (-60 или -90 dBFS) этих искаженией нет. Исторически на максимальном уровне оценивается качество работы обвязки ЦАП с позиции компрессии уровня на передаточной характеристике , а на малых уровнях - общая нелинейность (присущая в первую очередь для R2R матриц) или специфике обвязки или искажений исходных данных на ЦАП.

Когда речь заходит об именитых брендах (дорогих) с длительной историей, то считается, что продукты делаются не только грамотно с технической точки зрения, но и уделяется большое внимание субъективному тестированию в качественных трактах.

Почему же с их стороны был допущен ESS hump? На мой взгляд причина кроется в том, что только в зрячих тестах или рекламных буклетах разница между разными компонентами схемотехники или разными решениями отчетливо слышна и является огромной. В реальности эта разница находится на пороге слышимости и зачастую не слышна в слепом тестировании. Для выбора наилучших решений нужны длительные прослушивания, и сбор статистики, какие из решений чаще дали лучший результат. Соответственно, когда компания за далеко не один год субъективных прослушиваний определилась с наилучшей схемотехникой и компонентами для своих ЦАП, то замена микросхемы может преподнести очень неприятный сюрприз.

По сути, формально по общим тестам ESS hump не виден, и сразу, как оказалось, и не слышен. Зато потом, продукты поступили в продажу и проблема стала очевидной, то потребовалось длительное время на перевыпуск новых продуктов. Да и не всем так просто отказаться от философии "Тру баланс".

По идее ревьюверы с хорошим слухом должны были услышать проблему и дать обратную связь. Но, не услышали или решили списать на "звук для ценителей"...

Не стоит исключать и маркетинг. Например более простой бюджетный Topping D10s на одном ES9038 q2m демонстрирует более лучший результат, нежели более продвинутый Topping D50s на двух ES9038 q2m.

Как был обнаружен ESS hump

В проекте RAA эти искажения изначально были замечены на спектрах в продуктах с ES9018 k2m еще в 2015 году.

Изначально для тестирования усилителей был сделан тестовый сигнал, где уровень постепенно понижался, а после записи и обработки тестового сигнала получался набор спектров. По спектрам, полученных под разными номиналами нагрузок, определялись пороги тока и напряжения, при которых менялся характер искажений.

Предполагалось, что современные ЦАП имеют искажения только в области максимального уровня на передаточной характеристике, но оказалось, что это не так. Сперва специфические искажения сначала были замечены с продуктов на PCM1792a - ASUS Xonar Essence STX и Violectric V800 (где они были источниками сигнала для внешнего усилителя). А после, гораздо большего уровня на продуктах с “мобильными версиями ESS” ES9016/18 K2m/Q2m. В стационарных вариантах на ES9018s искажений на тот момент не встретилось, но позже оказалось, что и в таких продуктах эти искажения встречаются. Причина в возникновении искажений у PCM179X может быть иной и не зависеть от обвязки.

В продуктах на ES9038 q2m искажения оказались еще больше и это было замечено при тестировании на AudioScienceReview на графике интермодуляционных искажений от уровня. Сегодня можно встретить мнение, что ESS hump - это специфические интермодуляционные, а не гармонические искажения, что неверно. Просто на ASR их смогли разглядеть на графике интермодуляционных искажений и дали этому “народное” название.

На сайте RAA тестирование производится в режиме бенчмарка с возможностью просмотра не только конечного графика в виде “искажения от уровня сигнала” как на ASR для интермодуляционных искажений, но и всех исходных спектров. Более того, график “искажения от уровня сигнала” строится не только по суммарному уровню искажений, но и отдельно по кратным гармоникам, что дает возможность на одном графике увидеть практически содержание исходных спектров.

Если у продукта достаточно высокий уровень фонового шума, то лишь по суммарному уровню искажений увидеть ESS hump довольно сложно. Особенно, если он строится под углом и уровень шумовой полки совершенно неочевиден.

Софт, вроде REW позволяет делать тест гармонических искажений искажений от уровня и аналогично показывать гармоники (со 2-ой по 9-тую).

К сожалению при тестировании через REW есть ряд ограничений. Тестирование возможно только в Loop режиме (воспроизведении и одновременной записи непосредственно в REW). Нельзя отдельно сохранить тестовый файл, воспроизвести в стороннем софте или из памяти портативного плеера, записать через сторонний софт и открыть на анализ в REW. Таким образом такое тестирование доступно не для всех устройств. Усугубляет ситуацию и то, что при выборе ASIO можно использовать только одно устройство на записи и воспроизведение, а раздельно, где ЦАП и АЦП это разные устройства - только WASAPI, которое в REW довольно капризно и в моем случае выдает часто ошибки на доступность для записи. Надеюсь, со временем добавится возможность как сохранения тестового файла, так и открытие его на анализ.

REW не сохраняет записываемый сигнал, и не сохраняет исходные спектры, по которым строится конечный график. Соответственно нельзя посмотреть исходные спектры, что важно для оценки аномальных результатов.

Тестирование искажений ESS Hump в REW через гармонические искажения является более удачным вариантом, нежели чем через интермодуляционные, т.к. последние не показываются отдельными гармониками и соответственно велика вероятность ничего не увидеть из-за вклада фонового шума. Впрочем, если оценивать только суммарный график искажений, то в примере с Creative AE-9 заметность локального подъема искажений во всех вариантах тестов примерно одинакова.

ESS хамп может проявляться не только в виде гармоник, но и изменением формы шумовой полки. Дополнительно, когда речь идет о специфических искажениях, то они не всегда могут быть кратны основному тону и видны только на исходных спектрах.

Как звучит ESS hump

Условия тестирования

Сравнения были сделаны несколько раз, когда появлялись в наличии устройства на ES9038 Q2M. Для сравнения подбирались технически исправные устройства, которые отличались только наличием/отсутствием искажений в виде ESS хамп. Было три парных сравнений.

Устройства с ESS хамп: Creative Sound BlasterX AE-9, DAART Canary II и Astell&Kern Kann Cube.

Устройства без ESS хамп: Pro-Ject Head Box S2 Digital, Topping D10s и Topping EX5.

При сравнении двух устройств всегда было еще альтернативное третье устройство для оценки уровня разницы, это обычно был Audiolab M-DAC, или модифицированный ASUS Essence One Mod V. Иногда приходилось откладывать тест, когда разница между тремя устройствами при мгновенном переключении просто не ощущалась.

Делалось выравнивание уровня громкости до сотых дБ между источниками. Сигнал поступал на роутер BRZHiFi Vol 2 на электромагнитных реле с мгновенным переключением с пульта и общим релейным регулятором громкости.

Сравнения делались как при 0 dBFS и так и при -20~-30 dBFS.

Для "безхамповых" устройств регулировка была как в аналоге, так и в цифре до ЦАП.

АС: активные Sony SA-S1 с электростатическими ВЧ.

Звучание

При сравнении звучания при воспроизведении сигнала под 0 dBFS разница была исключительно вкусовой. Совсем другая ситуация с прослушиванием при -20~-30 dBFS. Здесь все “хамповые” источники теряли ощущение воздушности пространства, а условная ширина сцены сужалась до АС, теряя заодно и глубину. Обычно так звучат R2R устройства начального уровня.

Выводы

Какие выводы из этого можно сделать? Если регулировка после ЦАП аналоговая, то наличие хампа не является явной проблемой. Если регулировка цифровая до ЦАП - то при понижении громкости можно ожидать заметной деградации звучания.

Другими словами, если источником является Creative AE-9, то регулировку громкости лучше делать не с AE-9, а с усилителя АС. Если что-то вроде Aune x8, то регулировать стоит его аналоговым регулятором и не регулировать в ПО до ЦАП.

Сложнее ситуация складывается с наушниками в плеерах и комбайнах, где нет аналогового регулятора и нет возможности его отдельно встроить в тракт.

Зная, что основные искажения начинается от уровня -40 dBFS, при наличии высокочувствительных наушников можно попробовать перевести усилитель в режим Hi Gain и тогда возможно потребуется снижение уровня более чем на 40 дБ для своего уровня комфортной громкости . При этом надо отдельно смотреть, как именно происходит переключение между Low и Hi - меняется коэф. усиления или происходит банальное ограничение громкости.

В целом, в наушниках эффект от ESS hump заметен не так сильно, как с АС. При цифровой регулировке громкости в наушниках с разной чувствительностью с выхода устройства надо выставлять разный уровень и это может быть причиной противоречивых отзывов о звучании устройства либо наушников.