Практически все записи сводятся звукорежиссерами так, чтобы кажущиеся источники звука(КИЗ) правильно позиционировались в пространстве при воспроизведении с помощью акустических систем (АС) в подготовленной(хорошо заглушенной) комнате для прослушивания (КДП).

При воспроизведении музыки с помощью акустических систем излучение левой АС попадает в левое ухо и огибая голову слушателя(что приводит к задержке и изменению АФЧХ) также попадает и в правое ухо, аналогично происходит и с излучением от правой АС, как показано на рис. 1а. Основными проблемами прослушивания с помощью АС стоит отметить огромное влиянии КДП и отсутствие точечного излучения. При воспроизведении же с помощью наушников излучение левого наушника попадает только в левое ухо а излучение правого наушника только в правое ухо (см. рис.1б), поэтому несмотря на отсутствие при прослушивании с помощью наушников главных проблем при прослушивании через АС, из-за неправильной локализации КИЗ(эффект звучания "в голове", см. рис. 3) наушники не подходят для высококачественного воспроизведения фонограмм или использовании их при сведении фонограмм на студии. 

рис. 1 а/б

Чтоб получить правильную локализацию КИЗ при прослушивании фонограмм с помощью наушников необходимо использовать электрический эквивалент физических процессов происходящих при прослушивании с помощью АС - бинауральный аудио процессор также называемый иногда crossfeed.

Большинство усилителей для головных телефонов с кроссфидом (Chord Hugo, RME ADI-2, SPL Phonitor, Meier audio, Grace m902/m903/m920, HeadRoom Ultra Desktop Amp, Headstage Arrow и т.д.) построены на основе цепей 2..4-го порядка что не позволяет даже близко получить нужные АФЧХ (на 10кГц ФЧХ максимум -70 грд при нужных более -1600 грд, не оптимальная АЧХ)[4-6, 15-18, 24-31], что в свою очередь объясняет неоднозначные субъективные результаты при их использовании ибо и так плохая локализация КИЗ в наушниках становится еще более странной. Существующие программные реализации[21, 22] полностью повторяют своих “железных” собратьев в плане АФЧХ и поэтому также не представляют интереса для высококачественного прослушивания фонограмм с помощью наушников.

рис. 2

Поэтому после многих лет разработки был создан бинауральный аудио процессор обеспечивающий соответствие реальным физическим процессам с хорошей точностью, а именно эмуляция АС находящихся в открытом пространстве под углом +-45грд. На рис. 2 приведен график задержки сигнала подмешиваемого бинауральным процессором в Л(П) канал, соответствует расположении АС под углом в +-45грд. Применение столь сложного бинаурального аудио процессора позволило при прослушивании с помощью наушников получить звук ближнего поля АС с хорошей локализацией КИЗ по азимуту (см. рис. 3)

рис. 3

Структурная схема усилителя для наушников "Focus" показана на рис. 4. Устройство имеет два наиболее популярных цифровых входа - USB и SPDIF. USB вход реализован на мс CM6631A в асинхронном режиме с самописной оптимизированной прошивкой написанной на C. Опорными генераторами для CM6631A применены генераторы с малым джиттером от фирмы Kyocera. Неиспользуемый в данный момент генератор одной из сеток (44,1/48) выключается. S/PDIF вход реализован на мс WM8804 с FIFO, низкой частотой среза петли ФАПЧ и низким джиттером.

рис. 4

В отличие от стандартных схем, где цифровой сигнальный процессор используется обязательно c асинхронным преобразованием цифрового аудиосигнала, в HA "Focus" 56-битный DSP использован нестандартно, поэтому нет потребности в асинхронном преобразовании частот дискретизации (ASRC), что позволяет исключить неизбежное ухудшение качества звука из-за его применения.
2x ЦФ(44.1->88.2, 96->192кГц итд) реализован с минимально фазовым "apodizing" FIR фильтром[42][43]. В отличие от полу-полосных(half band) ЦФ(типовых для всех ЦАП и АЦП), данный тип фильтра выполняет требования теоремы Котельникова-Шеннона, а именно полностью устраняет алиасы(свободный от наложения спектров), тем самым достоверно восстанавливая звуковой сигнал(см. рис. 5).

рис. 5

Введение apodizing фильтра в цепочку воспроизведения позволяет ликвидировать предзвон(preringing) и послезвон(postringing) всех полу-полосных ЦФ (half band DF), как использовавшихся при записи (!) сигнала, так и использующихся внутри микросхемы ЦАПа. Остается только послезвон(postringing) данного фильтра(рис. 6а(44,1/48кГц), 6б(88,2/96кГц), 6в(176,4/192кГц)), который эффективно маскируется полезным сигналом. Математические расчеты с входными 24-битными данными проведены с 28/56-битными коэффициентами используя 56-битный аккумулятор.

рис. 6а

рис. 6б

рис. 6в

Также в DSP реализован синфазный шум(subtractive dither) большой амплитуды, что позволяет в случае дифференциального включения мс ЦАП эффективно рандомизировать модулятор не увеличивая результирующий шум на выходе устройства.
Все это, вместе с 1-битным FIRDAC позволяет получить аналоговое звучание без каких либо цифровых артефактов.

Регулировка громкости осуществлена в цифровом домене. Для максимального качества при использовании данного типа регулировки громкости следует соблюдать несколько правил:
1. Корректный дизеринг(dither) большой амплитуды.
2. Также как и при аналоговой регулировке, не допускать малого уровня сигнала между девайсами в системе (к примеру между ЦАП и УМЗЧ).

В мультибитных Сигма-Дельта ЦАП каждая связка SDM-DEM-DAC имеет свой уникальный окрас из-за сильной зависимости искажений от сигнала. Одна из причин этого то, что у DEM время усреднения нелинейности мультиуровневого ЦАП обратно пропорционально частоте работы модулятора и прямо пропорционально разрядности ЦАП, то есть чем выше разрядность ЦАП и чем ниже частота работы модулятора тем больше времени надо для усреднения нелинейности. И DEM (фактически представляющая из себя SDM 1-го порядка) подвержена тем же проблемам, а именно продуцирует мощные паттерны как в округе Fmod/2 так и напрямую попадающими в ЗЧ область. Поэтому ЦАПом для данной конструкции выбрана 1-битная СДМ из-за мало зависимых от типа сигнала искажений, чтоб получить максимально неокрашенное звучание.

Собственно мс ЦАП применена UDA1334BTS в дифференциальном включении, имеющая на борту 1-битный Сигма/Дельта Модулятор 5-го порядка(иными словами - преобразователь из PCM в DSD) и Semidigital FIR (AFIR) на 75tap. Дифференциальное включение UDA1334BTS позволяет скомпенсировать сигнальные токи в опоре и питании мс цап, что в свою очередь уменьшает требование к данным узлам. Также увеличивается отношение сигнал/шум, компенсируются четные гармоники и появляется возможность использовать синфазный дизер(subtractive dither). Уникальные фильтрационные способности Semidigital FIR позволили свести практически к нулю влияние джиттера и сделать абсолютно минималистскую аналоговую часть устройства. Осциллограмма непосредственно с выхода UDA1334BTS(вывод 14 или 16) синуса 20кГц при ЧД 44,1кГц в полосе 400Мгц показана ниже

Усилитель мощности сделан в классе АБ, что позволяет в 3-5раз уменьшить мощность БП и соответственно сделать его более "тихим", с меньшим прониканием помех из сети. Но ВК в классе АБ хорошо работает только в монолитном исполнении, поэтому был применен мощный высокоскоростной буфер LMH6321 способный работать на комплексную нагрузку(большинство забывает тот факт что ВК может возбуждаться на комплексную нагрузку независимо от того, какой запас по фазе устройства с ооос в целом). В данном устройстве конструктивное исполнение выходного каскада реализовано с минимальным контуром протекания токов питания и минимальной индуктивностью цепей питания.
ОУ для усилителя мощности применены LM318 с отличной линейности входного каскада и соответственно беспроблемной работой с ВК класса АБ, с результирующим звучанием свойственным лишь безОООСным схемам с отличной линейностью в классе А. Усилитель мощности имеет нулевое* выходное сопротивлением для обеспечения минимальных искажений при работе на реальную нагрузку и хорошего демпфирования[40][41]. Максимального выходного напряжения/тока и(что не маловажно) линейности усилителя достаточно чтоб "раскачать" изодинамические наушники с чувствительностью >80дб/мВт или высокоомную динамику, например Hifiman HE1000 / Edition X / HE400i, Audeze LCD-MX4 / LCD-4 / LCD-3 / LCD-2 / LCD-X, Kennerton Odin, Sennheiser HD800 / HD600 / HD650 и т.п.

Любое аудио-устройство это всего лишь модулированный источник питания, поэтому качество питания очень важно. Сетевые трансформаторы применены секционированные, что позволяет минимизировать проникание помех из сети и минимизировать земляной ток помех между устройствами. Стабилизаторами питания цифровой и аналоговой части устройства выступают непревзойденные на данный момент по параметрам и положительному влиянию на качество звука стабилизаторы последовательно-паралельного ("шунтовые") типа с малым и постоянным выходным сопротивлением, и шумом менее 1мкВ.

В данной конструкции реализованы такие виды защит:

• от постоянного напряжения на выходе.
• от переходных процессов при включении/выключении.
• от короткого замыкания нагрузки.
• от перегрузки по току.
• от перегрева ВК.

Спектр сигнала 1кГц полной шкалы на выходе устройства в полосе от 0 до 40МГц показан ниже, как можно видеть никаких наводок и помех от цифровой части устройства обнаружить не удалось.

Краткие технические характеристики:

• Сопротивление нагрузки – >4 Ohm.
• Максимальный выходной ток - 0,6A pk-pk.
• Максимальное выходное напряжение - 12V pk-pk.
• Выходное сопротивление – 0 Ohm*.
• Регулировка громкости плавная - 0..-50dB.
• Регулировка громкости ступенчатая - 0/-20dB.
• Входы - USB(PCM 32-192kHz, DSD64-512) и S/PDIF(PCM 32-192kHz).
• Выходной разъем - Jack 6,3 mm.
• Питание – 230V+-10% 50-60Hz.
• Габариты – 165*110*60 mm.

*-без учета сопротивления выходного разъема и контактов Mute реле.

На передней панели устройства выведены(слева направо):

1. Выбор входа - USB или S/PDIF
2. Совмещенный переключатель усиления и бинаурального процессора, имеет три положения: BL - Binaural, low gain / BH - Binaural, high gain / SH - Stereo, high gain. Режим SH предназначен для использования устройства в качестве Hi-End DAC, BH для низкочувствительной изодинамики и высокоомной динамики, BL для низкоомной динамики и через внешний делитель(например iEMatch) также можно подключать внутриканальники.
3. Выход на наушники - Jack 6.3mm
4. Регулятор громкости.

На задней панели:

1. USB вход
2. Линейный выход.
3. Выключатель питания
4. S/PDIF вход
5. Разъём сетевого питания

USB драйвера для WinXP/Vista/7/8/8.1/10

Создание всей звуковоспроизводящей системы как единой монолитной конструкции позволили полностью устранить проблему "интерконекта" и кабелей.

Отзывы о звучании устройства...

Литература:

1. Stanley A. Gelfand “Hearing: An Introduction to Psychological and Physiological Acoustics” 5th Edition 2010 Informa UK
2. “Loudspeaker and Headphone Handbook” Third Edition Edited by John Borwick with specialist contributors 2001
3. J. W. S. Rayleigh “The Theory of Sound” 1894
4. B.B.Bauer “Improving headphone listening comfort” Journal of the Audio Engineering Society, Vol.13, No.4, pp 300-302, April 1965.
5. B. B. Bauer “Stereophonic to binaural conversion apparatus” USP 3,088,997
6. Siegfried Linkwitz “Improved Headphone Listening. Build a stereo-crossfeed circuit” Audio; December 1971
7. C. Phillip Brown and Richard O. Duda “A Structural Model for Binaural Sound Synthesis” IEEE TRANSACTIONS ON SPEECH AND AUDIO PROCESSING, VOL. 6, NO. 5, SEPTEMBER 1998
8. Toni Liitola “Headphone Sound Externalization” HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Mar 7, 2006
9. S M A Basha, Abhinav Gupta, Anshul Sharma “Stereo widening system using binaural cues for headphones” Samsung Electronics
10. Thomas M.V. “Improving the stereo headphone sound image” JAES №7/8 1977
11. Duane H. Cooper, Jerald L. Bauck “Head diffraction compensated stereo system” USP 5,136,651
12. Henrik Moller, Dorte Hammershoi, Clemen Boje Jensen, Michael Friis Sorensen “Binaural synthesis, head-related transfer functions, and uses thereof” USP 6,118,875
13. Makoto Iwahara, Toshinori Mori “Stereophonic sound reproduction system” USP 4,118,599
14. Akitoshi Yamada, Toshiyuki Goto, Yoichi Kimura, Yoshinobu Kikuchi “Out-of-head localization headphone listening device” USP 4,097,689
15. Chu Moy “An Acoustic Simulator for Headphone Amplifiers”
16. Jan Meier “A diy passive crossfeed filter”
17. Jan Meier “A DIY Headphone Amplifier”
18. John Conover “Spatial Distortion Reduction Headphone Amplifier”
19. Stephen A. Davis, Martin Walsh, David Berners “Dynamic decorrelator for audio signals” USP 6,714,652
20. Andrew J. Oxenham “Binaural Hearing” Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology 2005
21. Bauer stereophonic-to-binaural DSP
22. Naive Crossfeed
23. Koenig, Florian M. “The Causals of Headphones Tone Coloration Variations Related on the Human Pinna Influence”
24. Toni Kemhagen “The Lindesberg Portable Headphone Amplifier with Crossfeed”
25. Grace m902
26. Grace m903
27. HeadRoom Supreme
28. HeadRoom Ultra Desktop Amp
29. Headstage Arrow
30. SPL Phonitor
31. Merlion. Усилитель для наушников с взаимным влиянием каналов
32. С. Агеев “Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС” Радио №10-12 за 1999 г. и №1,2,4-6,9-11 за 2000 г.
33. Sean E. Olive and Todd Welti "The Relationship between Perception and Measurement of Headphone Sound Quality"
34. Sean E. Olive, Todd Welti, and Elisabeth McMullin "Listener Preferences for In-Room Loudspeaker and Headphone Target Responses"
35. Sean E. Olive, Todd Welti, and Elisabeth McMullin "Listener Preference For Different Headphone Target Response Curves"
36. Floyd E. Toole "THE ACOUSTICS AND PSYCHOACOUSTICS OF HEADPHONES"
37. Siegfried Linkwitz "A Model for Rendering Stereo Signals in the ITD-Range of Hearing"
38. Nobumitsu Asahi, Hiroshi Aoyama, Susumu Matsuoka "HEADPHONE HEARING SYSTEM TO REPRODUCE NATURAL SOUND LOCALIZATION" Trio-Kenwood Corporation
39. Erich Meier "Simulation of a Near-Field Loudspeaker System on Headphones"
40. John Siau "The Sonic Advantages of Low-Impedance Headphone Amplifiers"
41. John Caldwell "Stabilizing difference amplifiers for headphone applications"
42. Peter G. Craven "Antialias Filters and System Transient Response at High Sample Rates" J. Audio Eng. Soc., Vol. 52, No. 3, 2004 March
43. Peter G. Craven "Controlled pre-response antialias filters for use at 96kHz and 192kHz" J. Audio Eng. Soc., Convention Paper 5822, 2003 March
44. Abhijit Kulkarni & H. Steven Colburn "Role of spectral detail in sound-source localization" NATURE | VOL 396 | 24/31 DECEMBER 1998

"Directly or indirectly, all questions connected with this subject must come for decision to the ear, as the organ of hearing; and from it there can be no appeal" J.W.S. Rayleigh