骨灰级音响发烧友如何打造随身DAC兼耳扩？

Chord电子产品Hugo，一种专为骨灰级音响发烧友打造的电池供电的随身DAC兼耳扩，使用赛灵思 Spartan-6 FPGA.(使用了1/2的单元)实现了一个32位、26K抽头的WTA插值滤波器，为音乐爱好者创建了通往音乐天堂的阶梯。正如Audiostream.com 网页评论所说,抽头长度越长,就越接近数学的完美…

Audiostream网页评论同时还指出，低功耗的Spartan-6 FPGA使得Chord Hugo的尺寸减少到巴掌大小20x100x132mm，重量减少到只有0.4kg，然而一次完整的充电却可以续航10小时。

Hugo 虽然小，但是却仍能容纳多个数字输入接口，包括Toslink光纤端子，同轴SPDIF接口、driverless USB接口（16bit/48khz），以及高清(HD)USB接口(32bit/384KHZ以及DSD128) 。同时还有一个无线蓝牙接入功能。模拟输出包括两个3.5毫米耳机插孔,一个6.35毫米耳机插孔(1/4英寸),和一对RCA立体插孔。

专门负责完整音频检测报告的Chris Martens 引用Chord的CEO兼高级工程师John Franks 说的一句话：“如果没有Spartan-6 FPGA ,很难让Hugo DAC既高端大气上档次并且还如此轻便，即使是台式机也很难做到（因为它耗电很大而且非常笨重）”。如果你不是团队作战，26K抽头的音频滤波器确实有点恐怖（大多数音频DAC可以实现150个抽头滤波器而且最大的商业级DAC也只能提供256抽头的滤波器，可以参考Chord 电子官网页面关于DAC技术），但是追求极致的抽头长度是为产生更加干净的声音，如此便能吸引更多高端的音乐发烧友。

26k抽头WTA音频滤波器的背后的原理是什么呢？首先，WTA是（Watts 瞬间对齐）的简称，并且这个“Watts”就是指Robert Watts，一位著名的DAC设计专家。Watts 最初开发这个基于FPGA的滤波器的技术源于2002年Chord的一款叫做DAC64的产品。根据Watts 2014年6月发表在英国的音响精选杂志所述（转载自Chord电子官网页面）“早在80年代，当我还是个电子专业的大学生时，我就意识到插值滤波器从过去一直使用到现在，有其固有的局限性并且有非常严重的时序问题。这是基于抽样理论研究，它清楚地表明，完美复制一个采样带宽有限的信号需要一个无限长度的滤波器。使用传统的滤波器（大约100个抽头），将有严重的时序问题。我同时也知道，通过研究听力，耳朵或者大脑可以处理4us的时序，但是CD只能精确到22us，这个丢失的时序可以由插值滤波器重建”

这有更多关于WTA插值滤波器的内容：Chord 电子的DAC技术网页

“它解释了为什么采样率越高声音质量越好，众所周知，96KHZ（DVD 音频）的录音听起来要比44.1KHZ（CD）的录音要好。大多数人认为这是由于存在的超声波信息可以被听见，即使人类最佳听觉是限制在20khz。但是众所不知的是768khz的录音音质比384khz要好，并且音质受限的采样区域在MHZ”

768khz录音不好听的一个重要的原因是当信息超过200khz，不仅乐器、麦克风、功放和喇叭不工作在这个频段，而且人类也无法听见这个声音。所以假设没有额外的带宽（这点很重要），为什么采样率高的声音听起来更好呢？

答案是，我们虽然听不见超声波，但是我们却能清晰的“听见”这个“瞬变的时间”。很早之前我们就知道，人类的耳朵和大脑可以分辨出耳朵到微秒顺序之间不同的阶段的声音。既然瞬变可以在微秒级检测到，那么录音系统只需要在1微秒内完成时序变化即可，那就要1MHZ的采样率来完成。

然而，通过使用数字示波器，44.1khz的采样能够精确的完成瞬变。数字滤波能够在一定程度上提高分辨率而不需要较高的采样率。

为此，滤波器需要一个无限长的抽头，目前所有重组的滤波器的抽头相对较短，最长的商用设备也只是256抽头。由于短抽头和相应的滤波算法将产生错误的瞬变时间。这些错误可以很明显地侦听到”

Watts 和Chord 电子十多年前就使用赛灵思 Virtex FPGA开发出了64位、1024抽头滤波器，并且该技术在一系列产品上都是持续改进的。为设计这款轻便的Hugo DAC兼耳扩，公司后来将该技术移植到 Spartan-6 FPGA。Spartan-6 FPGA的低功耗和高散热效率造就了这个轻便的电池供电的Hugo。虽然Spartan-6被认为是赛灵思的低端FPGA，但是令人震撼的是，滤波器的抽头数却直接从1024升到26K，并且采样率也是显著的提高了。第二颗Spartan-6芯片在Hugo中实现了高性能的输入接口。