从CHORD DAVE谈起没有前级的数字音量控制（更新X22的ES9038pro数字音量控制）

天方夜谭天说地

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前级非常重要，虽然原理不清楚。从听感来看，和解码前级相比，前级的微弱信号起到提升作用，给后级可以捕捉到。
我用耳机听过前级声音，都是把弱信号提升，对于灵敏度高耳机不合适的，但对箱子效果就很好，对于箱子来说，不是信号干净的问题或者多个香炉的问题了，而是微弱信号有没有放大出来的问题了，这些微弱信号非常重要，构建声场，结像立体都是很关键的，如果不经过好前级，声音是不完整的。
因此我前级已经是箱子的两倍价格了。
解码前级甚至不如那些diy 2k前级。

codecos

曾经玩过前级，但是我认为不如全数字放大器的音量（功率控制）。因为怎么听都感觉小音量大音量声音的印象不一样，小音量的声场细节和大音量完全不一致。没有全数字放大器来的统一。而且要达到全数字放大器这些统一性我认为基本不可能实现。统一都办不到那是0分（不要扯好不好听，说好听的自己去想大小音量不一致那到底是哪个好听？那个是真的？）。

纯bit调节和电压调节如果在da转换之前（传统链路）做他们的优势是无法发挥，所以不要再说纯bit或者电压调节不行了。就是打开方式不对罢了

其实全数字放大器也没有音量说法，因为本质上是调整功率，其中占空比调节（数字音量）和脉冲高度控制都是调整功率，叫音量存粹是兼容性考虑罢了。

这个是我认为比较优秀也是早期全数字放大器的调整音量（功率）的方式。不是纯bit调节。其中同时用到了脉冲高度控制和bit调节。通过混合调节方式在2003年就可以做到模拟设备无法比拟的性能。可以轻松且廉价的实现理想的音量控制即线性音量，调节音量只变声压级，其他不变。没有莫名其妙的非线性问题。

# 多级定电压电源与数字音量混合控制系统：详细工作原理

S-Master Pro系统采用了一种巧妙的混合音量控制方案，结合了多级定电压电源的"宏观"控制和数字音量的"微观"调节。这种设计既解决了传统数字音量控制的位深度损失问题，又提供了精细的音量调节能力。

## 系统整体架构

整个混合音量控制系统包含两个相互配合的部分：

1. **多级定电压电源控制（宏观调节）**：
   - 通过变压器多抽头提供四个电压级别（如40V, 20V, 10V, 5V）
   - 每个级别间相差6dB（电压比为1:2）
   - 提供了总计约24dB的主要音量控制范围

2. **数字音量控制（微观调节）**：
   - 在每个6dB电源电压区间内提供精细调节
   - 数字衰减限制在0-6dB范围内，最小化位深度损失
   - 提供连续的音量调节感受

## 混合控制的详细工作原理

### 1. 用户音量设置的处理流程

当用户调整音量控制时：
- 系统计算需要的总衰减量（如-14dB）
- 确定应使用的电源电压级别（-14dB例子中应使用第三级，-12dB）
- 计算剩余需要的数字衰减量（例子中为-2dB）
- 同时应用电源电压选择和数字衰减

### 2. 电源电压控制部分

多级定电压电源的工作机制：
- 变压器多抽头纵向连接提供基本电压级别
- 每个电压级别有独立的整流和稳压电路
- 系统根据所需衰减量选择合适的电压级别
- 电压切换经过平滑过渡处理，避免可听到的瞬变

### 3. 数字音量控制部分（6dB范围内）

6dB范围内的数字音量如何实现：
- 数字信号乘以小于1的系数（最小为0.5，对应-6dB）
- 例如：-3dB对应乘以约0.707的系数
- 在6dB范围内，16位信号最多只损失1位分辨率
- 这种有限的位深度损失在实际应用中几乎不可察觉

### 4. 两部分的智能协作

系统如何决定何时切换电源电压：
- 当数字衰减接近-6dB限制时，系统准备切换到下一级电源电压
- 切换电源电压级别后，数字衰减重置为接近0dB
- 整个过程对用户透明，提供平滑的音量调节体验
- 电压切换点可能有重叠区域，避免频繁切换

## 技术实现示例

以一个具体的音量调节示例说明工作过程：

1. **用户从0dB开始逐渐降低音量**：
   - 0dB至-6dB：使用最高电压级别（如40V），数字衰减从0dB增加到最大-6dB
   - 接近-6dB时：电源电压切换到第二级（20V），同时数字衰减重置为接近0dB
   - -6dB至-12dB：保持第二级电压，数字衰减再次从接近0dB增加到最大-6dB
   - 以此类推，直到达到最低电压级别和最大数字衰减

2. **以-14dB音量设置为例**：
   - 系统选择第三级电压（对应-12dB）
   - 额外应用-2dB的数字衰减
   - 结果是总计-14dB的衰减，但数字信号仅损失不到半位分辨率

## 设计优势与技术挑战

### 混合系统的关键优势

1. **最小化位深度损失**：
   - 数字衰减永远不超过-6dB，最多损失1位
   - 保持了低电平信号的高解析度

2. **全范围的平滑控制**：
   - 提供连续的音量调节而非离散级别
   - 用户体验与传统音量控制相似

3. **动态噪声底线**：
   - 电源电压降低直接降低了系统噪声
   - 噪声随音量同步变化，维持良好信噪比

### 实现中的技术挑战

1. **电压切换时的平滑过渡**：
   - 确保电压切换与数字衰减调整精确同步
   - 避免切换时的可听瞬变

2. **数字处理精度**：
   - 数字音量控制的计算需要高精度以避免额外失真
   - 可能涉及浮点或高精度定点数学

这种混合音量控制系统是S-Master Pro设计的一个典型例子，展示了如何通过系统级创新同时解决多个看似相互冲突的技术挑战。通过将音量控制分解为宏观和微观两个层面，系统成功地在保持信号完整性的同时提供了全范围的音量控制能力。

rogerchou

hxt2403399 发表于 2025-5-2 03:31
1. 感谢分享，这个链接我很早就看过也研究过，您再看看我的解释，根据我的理解和我使用嵌入式芯片的经验 ...

我想，你对R2R建构的DAC理论非常清楚，可是在将音乐讯号放入R2R这个box中是否触及转换到类比端的noise floor可能有盲点，我再解释一下(还是老话一句，不一定对)。

首先，现代数位录音的音乐讯号是遵循-18dbfs原则，也就是说音乐中最大电压讯号往往出现在数位端的-18dbfs，这作法当数位讯号转到类比讯号时不至于出现clipping。以一张16bit CD格式，可以装得下96db音乐为例，一首交响乐最大动态范围可以来到65db，简单数学，这张cd的音乐讯号存放在-18dbfs~-83dbfs (24bit有更多head room至-144dbfs)。

1.如果讯号直出前级:一个2Vrms讯号(Metrum DAC bypass volume control)进入前级放大器线路，在先不考虑音量控制下，测到的Noise floor再差都应该有-130~-150的水准。如果这个前级放大线路只是个Buffer没有增益，依你最适音压在-43db条件下，音乐讯号在这个前级中最小音乐讯号是处在-108db(-65-43)，如果放大线路是linestage的10db放大，最小讯号会来到-118db，无论如何皆很难向下触及到noise floor。

2.回到Metrum DAC的例子。官网宣称其类比noise floor在-155db水准，音量可调范围60db。从类比模拟的角度看，最小音量出现在-125db(-65-60)；从数位角度看，最小音量还是出现在-83dbfs，并不是在-143dbfs(-83-60)，原因是不需要像纯数位音控需要移位，仅靠改变MDAC的Vref即可达成类比输出端输出不同电平水准。因此无论直出或使用R2R ladder直流电阻分压音控，皆在可控范围。至于如何设定Vref?可依最大讯号输出在2Vrms情况下，反推求得在R2R ladder直流电压电阻分压公式前的Vref。

24bit可以存放大约144db资料，若依照上述法则，在digital domain下调整音量的最大空间就是144-83=61db，在一个24bitDAC下不现实，所以可能出现bit drop现象。但Metrum DAC的音量控制不额外佔用位元深度，而是另外用直流电压的电阻分压(R2R ladder)产生不同的Vref，所以解决了位元深度不足的问题。

电阻的热躁声基本上可以忽略，因为碰不到。至于电流讯号转电压讯号，如你所言是在类比端才转成电压讯号，所以"R2R"阶段不容易受杂讯干扰。最后，class D 的听感轮不到我评论，但基于理论，我只能说在应付阻抗变化大且低音单元难推的情况下，class D要比class A占优势，原因很简单...class D供应放大线路电流的能力与速度要强很多。(抱歉，我也不想如此啰哩八嗦的解释)

hxt2403399

rogerchou 发表于 2025-5-2 14:05
hxt2403399 发表于 2025-5-2 03:31
1. 感谢分享，这个链接我很早就看过也研究过，您再看看我的解释，根据 ...

感谢回复，我讲的一直是analog上的dB Volt, 按数学继续算下去，16bit 以-18dbfs为基准的cd在不经过衰减的情况下，最低电位在1V输出情况下是-83dBV, 那么2V rms会提高到-77dBV (电压幅值加倍增加6dB), 那么调整ref音量衰减43dB后，电压最低会到-120dBV，确实没有碰到noise floor的-155dB，从但是以24bit为例, 初始值为-144dB的话就会在analog(类比电路)中出现我之前说的问题。

问题其实很简单，就是前级在衰减信号时是否有足够的noise floor来等比衰减噪音，不然标称SN就会发生变化.

D类的优势我完全同意，D类放大如今在低频单元的驱动上也得到了非常好的效果，我是电力电子背景，从事过GaN功率半导体器件的研发工作，看来层主也是相关专业人员。