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大佬分析:为何网络交换机可以提高音频性能?我对终极数字流媒体体验的追求

2023-3-21 19:52| 发布者: 体验中心| 查看: 1566| 评论: 0|原作者: 体验中心

摘要: 作者:仙籁Silent Angel品牌创始人CTO - Chorus Chuang本文描述了我们在网络流媒体设备及其对音质的影响和开发 Silent Angel 波恩系列以太网交换机方面的研究和实验经验 众所周知,数字音乐有一个主要优势,即在长 ...
作者:仙籁Silent Angel品牌创始人CTO - Chorus Chuang
本文描述了我们在网络流媒体设备及其对音质的影响和开发 Silent Angel 波恩系列以太网交换机方面的研究和实验经验

众所周知,数字音乐有一个主要优势,即在长距离传输中保持数据完整性。让我们称之为“无损优势”。在 IT 产品(例如大众市场千兆以太网交换机)的常规设计和制造过程中,对无损数据传输进行全面测试是司空见惯的事情。该标准是一项 72 小时宽温测试,使用网络数据包生成器(例如SmartBits或 IXIA)将高带宽数据流量注入交换机设备的每个端口,在整个测试期间没有数据包错误传输。当然,这是遵循标准的技术工作(通常是 IEEE 标准)的结果,旨在模拟现实生活中传输过程中的噪声和干扰。由于这种出色的数据保存技术,我们现在可以像一个多世纪以来享受电力一样可靠地享受互联网。

在 Thunder Data公司(生产和销售 Silent Angel 产品的公司)成立之前,我相信数字音乐不会受到我们每天遇到的干扰的影响,并且由于网络数据传输的无损性质,音乐可以完美再现传输(准确地说,丢失的数据将被重新传输)。然后有一天,我用我的入门级音响系统进行了一个简单的测试:一台运行 Foobar2000 的主流 PC 通过 USB 数据线连接到一个 400 美元的 DAC。一个 Marantz PM4001 放大器和一对自制扬声器完善了这个适度的系统。我阅读了有关配置 Foobar2000 的输出缓冲区大小以提高音质的讨论,并亲自进行了测试;令我惊讶的是,参数的变化产生了巨大的声音差异。我意识到这些现象值得研究。虽然数据在传输过程中没有丢失,但显然有一些因素虽然尚未量化,但在声音的再现中发挥了重要作用。

我开始调查以提高自己的音乐享受,并组织了一些好朋友进行讨论。通过多次对话和实验,我们发现了很多未来研究的潜在途径。怀着提高数字音乐再现质量的热情和愿望,我发起了一些项目,并在 2014 年成立了 Silent Angel 品牌。

最初的研究集中在音乐服务器上:我们 Z1 的前身(目前的 Rhein Z1 系列是第六代设计),在我们的服务器开发工作中,我们发现音质随着用户的网络环境变化而有很大差异,这启发了我们在网络传输质量方面的工作。这项研究的第一个产品是 Silent Angel 波恩N8,它于 2019 年首次亮相,并在论坛上引发了无数关于为什么网络交换机可以产生声音差异的讨论。不幸的是,鉴于该领域的相对新颖性,我们无法找到很多先前的工作来参考。我们进行了几乎无穷无尽的实验,以确定声波性能的差异及其背后的原因。后来,我们发现至少三个设计参数可以提高音乐的质量:电源、时钟精度和 EMI 干扰。因此,基于这三个因素,我们开发了体现在波恩 N8 中的解决方案。在最新版本的波恩 NX 中,我们实施了其他改进,包括更先进的底盘设计。




尽管我们听到并证实了与发烧友和行业专家的分歧,但我们仍然在问这个问题:我们如何在理论上解释网络交换机会显着影响数字音乐系统的音质这一事实?

让我从我作为网络工程师的第一份工作开始回答这个问题。我当时的任务是使用英特尔的早期三芯片解决方案开发千兆以太网交换机。在开发工作中,英特尔工程师建议我在实验室中使用传统的爱迪生式白炽灯泡,以便通过 IEEE 合规性测试。必须避免使用荧光灯,因为它们会发出高频噪声。持怀疑态度,但我们听从了这个建议并关闭了所有荧光灯。令我们惊讶的是,我们交换机的噪音水平显著下降,产品通过了合规性测试。
另一个例子与我的 VDSL(超高速数字用户线)交换机设备的开发工作有关,它有 24 个 VDSL 端口。 VDSL 是一种通过电话线以高达 100Mbps 的下行速度和 50Mbps 的上行速度连接拨号互联网连接的技术。为了便于现场部署,电信公司使用了一种电缆,内部捆绑了 24 对双绞线电话线。然而,我们发现一些质量较低的电缆在双绞线之间受到严重的串扰,以至于由于串扰甚至可以使用相邻的电线进行连接,例如,端口 1 入站连接到端口 2 出站而不是物理连接的端口1 出站。电线之间的串扰的惊人程度表明,在设计印刷电路板 (PCB) 布局和以太网连接器之间的间距时,需要最大限度地减少串扰。我们将这一理念在 波恩 NX 中得到了最终体现,其中连接器的物理间距消除了串扰的可能性,同时促进了电缆连接。



第三个例子也与 VDSL 开关有关。中华电信(台湾最大的电信公司)开发了一种最多可支持 360 个用户的交换机。为了节省机架空间,该交换机采用紧凑的金属外壳制成。即使是布局轨迹中的轻微不精确也可能引入剧烈的串扰,这表现为不稳定的链路状态。在某些情况下,它会导致频繁的重新连接活动。

为什么时钟信号是影响音质的重要因素?
在以太网传输中,时钟信号通过调制同时从发送方(源)传输到接收方(目的)。当接收器接收到数据包时,它将使用时钟恢复电路(请参阅随附的框图*)重建时钟信号,以解码数据包中的数据。当发送方的时钟信号不稳定时,会导致重建的时钟信号不稳定。在最坏的情况下,它会导致网络连接中断;出于这个原因,Silent Angel 采用超高性能 TCXO(温度补偿晶体振荡器)时钟,这实际上消除了与时钟相关的潜在问题。



我们工作的另一个领域集中在 EMI 吸收器上。我们可以用一个简单的类比来解释 EMI 吸收器的作用。如果我们在封闭的房间里唱歌,例如在浴室里,由于声波在墙壁上的反射,我们的声音听起来更响亮、更丰富(即更有回响)。如果我们在墙上贴上吸音材料(如海绵),我们的声音听起来会更轻。电磁波也一样。在一个小的外壳中,电磁波会被金属外壳反射和增强。如果我们在外壳内的正确位置部署 EMI 吸收器,电磁波将被吸收、转化为热量然后消散。这种设计方法显著减少了不同组件之间电磁波的干扰。

但我们发现,EMI 吸收器不仅影响电磁波,还影响高频模拟信号。在某些情况下,吸收器会消除高频信号并对音质造成负面影响。因此,我们在慕尼黑和不来梅产品中放置的 EMI 吸收器专门避免影响模拟电路和信号。将吸收器应用在正确的位置并以正确的吸收量是经过仔细实验和改进的结果。 Silent Angel 投入了大量时间和精力来为每个特定产品指定合适的 EMI 吸收器,并将它们安装在每个机箱内的精确位置,以在不影响音调平衡、细节等的情况下减少EMI。
接下来的问题是:为什么以太网交换机的时钟信号会影响数字音乐播放器的音质?
根据我们的经验,接收端的各种组件都会受到影响。当交换机没有稳定的时钟源时,接收设备的电路为了完成时钟信号的恢复会消耗更多的功率。它会间接影响接收设备的电源以及本底噪声。如果此接收器设备连接到 DAC 和/或放大器,电源的这种细微变化也会对其模拟电路产生负面影响。关于电源对以太网交换机的重要性,可以给出类似的解释。当以太网交换机的电源不稳定时,使用电源产生的网络信号会携带更多的噪声,并传播到接收端(通常是播放器)。最终,不稳定性会影响整个系统产生的声音。

Silent Angel通过使用大型、高稳定性电源和添加外置线性电源 (LPS) 的能力解决了这个问题,例如我们的 森林人 F1 和 F2,它们提供了进一步的声音改善。以类似的方式,波恩 N16、N8 Pro 和 NX 中采用的高级 TCXO 时钟因其听觉优势而被选中。同样,波恩 NX 将时钟升级到其终极表现形式,为外接时钟信号发生器集成了专用输入。



如上所述,通过以太网交换机不同物理端口的网络流量会引起串扰。因此,我们需要在开关设计中考虑电路和组件分离,以减轻串扰。所有 Silent Angel 网络交换机都具有关键间距端口以及精确布局的组件和电路板走线,以最大限度地减少串扰和其他噪音。商品级以太网交换机甚至不承认这些提到的优化,因此,我们引入了“音频级交换机 (AGS)”的概念,并开发了 波恩 N8、N8 Pro 和最新发布的 NX交换机。

如果不提及使用优质以太网电缆的重要性,对数字流媒体优化的探索将是不完整的。电缆内有 4 对电线,可能会引入串扰。更高端的以太网电缆在这些电线之间有更好的屏蔽,以提高信号质量,这也会影响整体音质。有经验的 HiFi 客户在购买前会检查电缆的内部结构。 Silent Angel 已经开发出Bastei系列直流电缆,并正在研究以太网电缆的优化设计。



在数字流媒体时代完美呈现音乐的过程中,仍有许多悬而未决的问题。 Silent Angel 的工程师们正在不断地研究。帮助音乐爱好者解决他们在升级和追求更好音质过程中可能遇到的问题,最大限度地发挥数字音乐无损的优势,是我们的热情和使命。在这场不懈追求和奋进的冒险中,Silent Angel将继续创造令人兴奋的创新的产品和服务,与忠实的音乐爱好者分享。

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