本帖最后由 乐彼客服1 于 2018-5-17 18:05 编辑
FPGA那点事之LP6的七种兵器
之前两篇文章给大家介绍了FPGA的现状以及目前在HIFI播放器中的一些应用，这篇我们要谈的是LP6上FPGA将会出现哪些与众不同的设计。在正文开始之前我们回答下一些读者的疑问：FPGA只是一个可现场编程的芯片，具体怎么用，用的好不好取决于开发者对应用的理解程度和软件的编写能力，并不是用上FPGA就万事大吉，这只是漫长工作的开始，FPGA芯片本身远远不如开发在其内部运行的那些大型复杂的IP复杂和昂贵。
让THD+N性能翻番的秘密武器
如果让听感很好的R2R DAC，THD和动态性能又翻倍那么会产生什么惊人的后果？LP6中DAC是R2R架构芯片，由很多组电阻构成，电阻匹配精度和热噪声会对DAC性能产生严重影响，这点和Σ-Δ DAC依靠数字电路做噪声整形并进行调制推到带外的原理完全不同，和Σ-Δ DAC相比R2R DAC由于没有做Σ-Δ调制也没有做噪声整形所以听感更加自然，但噪声和谐波份量则会高出不少，造成THD+N性能难以做好。
大家可以仔细对比下优化前后FFT扫描结果的变化
为了改善这种状况，我们对直通模式的LP6做大量FFT分析，找出谐波分布规律，经过无数次编写和改善算法，再加上无休无止的实验，依靠FPGA内多组DSP（FPGA内DSP详细描述请见第二篇浮点怪兽章）的强大运算能力，成功的将有害谐波降低，THD性能竟然提高了3到9分贝。对数字敏感的烧友可能一下就振奋起来：6个分贝就意味着性能提升一倍，LP6整机的THD+N在目前已经低至-105db（0.00055%），直接打破了PCM1704U-K保持的R2R DAC THD+N性能记录-101.9db （0.0008%），当然性能仅仅是好声的基础，我们LP6钛版在算法工程师和硬件工程师的配合下，将R2R DAC原本自然醇厚听感的基础上即增加了声音密度，THD+N还能做到更低，我们的工程师们所付出的努力总算得到了回报。
THD+N性能
玩法更多、工艺更先进的超级“DF1704”
当大家拆开很多经典R2R DAC台机时，总能看到一对熟悉的搭档，比如PCM1704 DAC旁经常出现DF1704滤波芯片的身影，为什么？因为单纯只使用R2R DAC在很多频段上声音比较干和硬，听感单调，这时DF1704这类滤波芯片就发挥了突出的作用，利用其内部过采样等功能大大提高R2R DAC很多频段上的听感。 DF1704和PCM1704可谓是一对经典组合
我们设计LP6时，DF1704芯片早就停产，市面上只有拆机货，技术老化，工艺陈旧，支持采样率低，滤波器种类只有区区两种。现在主流FPGA都是28纳米以内工艺，而过去音频数字芯片一般采用0.35微米制程，所以在功耗性能及使用灵活度远远不能满足现在和未来的需求。在这个数字技术突飞猛进的时代里，只要拥有大型FPGA，配合编写完善的算法IP，其内部庞大的数字资源可以让我们随心所欲的发挥，性能和扩展性可以做到远高于DF1704芯片的水平，后续甚至可以开发出自定义滤波器功能，满足几乎所有烧友的不同听感。LP6内部的FPGA此时起到的作用相当于一个多种数字滤波功能，工艺先进，功耗超低的超级DF1704芯片，当然也可以既不使用数字滤波，也不做超采样处理，也就是NOS。
滤波器种类
无损DSD PCM转换
很多烧友知道R2R DAC是没有DSD相关接口的，纷纷询问LP6怎么支持原生的DSD？这个问题问得好：我们可以用FPGA实现AKM公司AK4137芯片相同的功能，这颗芯片可以做到DSD PCM近乎无损的转换。虽然DSD和PCM编码制式不同，但它们都是以数字形式来记录一段连续波形，换句话说，本质上都是数字信号，这种转换一般不会影响性能，只要有足够多的运算资源和好的转换算法就可以做到无损转换。由于LP6选用的FPGA资源足够而且更擅长数据的并行处理，所以转换效率高，设计也更方便灵活。 DSD和PCM的相互转化是可以做到24bit内没有性能损失
媲美专业机的自定义EQ
在发布LP6以前，已有很多烧友向我们提问：“为什么乐彼机器只有固定的几种EQ，能不能做自定义EQ？”答案是：自定义EQ设计起来很容易，但是之前机型FPGA资源不足，依靠本机内嵌MCU完成EQ调整，而MCU并不适合做大量的并行数据处理，所以EQ性能确实捉襟见肘。现在好了，有大型FPGA内庞大的DSP块撑腰，以前不敢想的现在就能轻易实现。LP6除了自带一些经典EQ外还拥有多组自定义EQ，这次的EQ可不是什么样子货，完全可以媲美很多专业EQ机听感的。 LP6自定义EQ界面
一台LP6，一块FPGA，七种HIFI兵器
一台顶级R2R HIFI播放器，如果必须拥有大型数字滤波器、THD性能倍增、无损DSD转PCM、高性能自定义EQ、高精度时钟源、高带宽接口、超低抖动SPDIF OUT（其它三种功能的详细介绍请见FPGA这点事第二篇）这七种功能，假设这七种功能各自使用一颗单独的高性能芯片，还会有多少电路板面积能从容布置低通滤波器、放大器、DAC等对听感至关重要的模拟部分关键电路？
何况实现这七种功能的单独芯片，有的市场中根本没有，有的性能完全达不到我们要求。而LP6只使用一颗大规模INTEL FPGA就高水准的实现了以上7种应用，其中不少还是独门绝活：比如INTEL的工程师也很好奇我们是如何提高R2R DAC芯片的THD性能的，因为目前最好的R2R DAC芯片的纸面性能还没有我们整机高，这七种兵器合一后终于成功敲开IFTD的大门。感谢工程师的灵感，感谢FPGA，这种庞大的可编程、并行运算的逻辑单元芯片为我们，为播放器，也为未来撰写了无数可能。
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发表于 2018-5-17 16:07
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