L’HISTOIRE DU CONVERTISSEUR NUMERIQUE ou DAC Digital to Analog Converter :

Dans les années 1980 les premiers DAC étaient tous des DAC à échelle de 16 bit équipés d’une résistance calibrée au LASER recréant le niveau analogique approprié (amplitude) pour chacun des 16 bit. Ces convertisseurs fonctionnaient bien et sonnaient bien. Certains modèles de chez Philips portant la fameuse « couronne » sont encore dans les mémoires pour leur précision et leur musicalité. Ils étaient très chers à produire car des résistances très précises étaient requises. Puis arrivèrent les DAC « Single Bit » ou « One Bit ». Plutôt que d’utiliser des résistances pour recréer un niveau analogique (une amplitude) on fît appel à la Modulation de Largeur d’Impulsions MLI ou PWM (Pulse Width Modulation). Chaque échantillon était traduit en amplitude en tournant un interrupteur On et Off pendant la durée appropriée, ou presque… L’onde en marches d’escalier obtenue était lourdement filtrée (moyennée) pour créer une courbe douce (plus linéaire). Les résistances trop coûteuses avaient disparu et avec elles la performance musicale, mais le grand public avait sa technologie bon marché pour l’avenir. Ensuite arrivèrent les DAC Delta/Sigma. Ils utilisaient la même technique PWM mais au lieu de créer une seule large impulsion pour chaque point de donnée (échantillon ou remplissage du récipient), le point de donnée était désormais crée par un grand nombre de petites impulsions. Ceci permît de linéariser l’onde au moyen d’un filtre moins radical et d’améliorer le son. L’on comprend donc pourquoi le sur échantillonnage du signal d’entrée vers une plus grande fréquence réduit les besoins de filtrage et améliore le son. De la même manière, plus les amplificateurs à découpage (PWM) sont rapides et moins il est nécessaire de filtrer la sortie et donc mieux ils sonnent. A partir de ce moment, tous les circuits de convertisseurs intégrés dans des puces devinrent Delta Sigma : bas prix et performances à l’avenant.

Nos DAC fonctionnent sur la base de l’ancienne technique du DAC à échelle mais avec un niveau d’évolution et de raffinement incomparable. Le dernière génération “Hybrid DAC” est capable de traiter le flux DSD en natif. Nos DAC sont totalement symétriques si bien qu’ils contienent une paire de DAC appariés par canal au minimum, un pour le signal non inversé et un pour le signal inversé. Finalement chaque canal utilise un DAC à échelle R2R avec un signe négatif de 23 bit et un DAC à échelle R2R avec un signe positif de 23 bit. Ensemble ils forment un vrai convertisseur 24 bit. Cette architecture permet aux signaux les plus faibles de la musique de rester fidèles à l’original sans les erreurs de linéarité rencontrées à bas niveau dans les DAC à échelle classique ou Delta/Sigma. Avec deux fois 24 bit de résolution combinée, une source 24 bit donne 24 bit de résolution véritable sans les pertes et les erreurs qui font que les DAC 16 ou 24 bit classiques offrent une performance bien inférieure à leur résolution nominale (un DAC de 16 bit offre généralement un maigre 12 bit de résolution effective).

Aucun DAC possédant le niveau de précision requis et exempt de filtrage analogique n’est proposé dans le commerce. De nos jours l’essentiel des DAC sont des Delta Sigma livrés en circuit regroupant le Sample Rate Converter, le filtrage numérique d’entrée et le DAC sans possibilité de rien faire évoluer. C’est pourquoi MSB produit ses propres modules incluant des circuits logiques et des résistances calibrées de très haute précision produites exclusivement pour notre manufacture. Le résultat est un rapport signal bruit jusqu’à 160dB et une distorsion proche de la limite théorique d’une source 24 bit. Ces mesures sont difficiles à établir sur l’intégralité nos modèles car trop reculées pour les instruments de mesure disponibles. Si quelques convertisseurs concurrents offrent maintenant la technologie R2R, il n’en reste pas moins qu’ils s’appuient sur une puce intégrée ou un réseau de résistances calibrées de bien moindre précision.

COMMENT FONCTIONNE UN DAC ?

Un DAC est un circuit qui convertit la mesure numérique par étapes discontinues de l’amplitude audio en un signal électrique analogique continu équivalent au son à reproduire. L’amplitude est un nombre numérique (comme un mot de 16 bit) et les étapes son corrélées au taux d’échantillonnage (comme 44100 fois par seconde). Le travail du DAC est de recréer une amplitude électrique au niveau parfaitement exact spécifié par la musique. En d’autres termes, chaque seconde 44100 mesures (donc discontinues) d’un niveau électrique (la musique) doivent être précisément transformées en 44100 impulsions électriques qui mises bout à bout donneront l’illusion d’un signal continu (une seconde de musique) et ainsi de suite. On comprend aisément que chaque erreur de conversion par le DAC de l’une des 44100 mesures du niveau électrique donnera une mauvaise reproduction de l’amplitude sonore (la musique). Rien n’étant parfait aucun DAC ne traduit précisément les mesures (44100 par seconde) en des amplitudes électriques parfaites (44100 par seconde). On peut donc considérer en théorie que chaque fraction de seconde de musique produite par un DAC est entachée d’imprécision. Heureusement il existe un niveau d’imprécision à partir duquel nul ne perçoit la différence. Voici pourquoi le niveau de précision d’un DAC est fondamental à la musicalité (fidélité) et, sur ce plan, toutes les techniques ne se valent pas et tous les DAC encore moins. Il est même commun de dire que le niveau d’imprécision des convertisseurs grand public, même 30 années après leur généralisation, est totalement aberrant. D’où l’absence caractéristique de toute sensation analogique à l’écoute de fichiers numériques.

Pour étendre le raisonnement à un autre domaine que celui du DAC on peut aussi évoquer la question de la lecture des 44100 échantillons de 16 bit chaque seconde. Chaque fois qu’une erreur de lecture se produit, le DAC sera alimenté avec une mauvaise mesure qu’il traduira lui aussi parfois assez mal éloignant encore plus le résultat de l’original. Voici comment on peut en arriver à une fatigue compréhensible à l’écoute d’un support numérique en comparaison à un support analogique. Si l’on ajoute à tout cela le grand nombre de corruptions du signal que les convertisseurs accumulent encore (jitter, filtrage, conversion courant tension, étages analogiques etc), on réalise mieux le fossé qui sépare ces deux mondes sur le plan du plaisir musical. Evidemment il est plus complexe de décoder un CD que de lire un vinyle mais il serait illusoire de croire que l’un l’emporte sur l’autre de manière systématique ou, tout du moins, sur tous les critères. Il serait tout autant illusoire de croire qu’une source analogique donne un signal continu, rien ne l’est dans la nature et cette loi de la physique vaut aussi pour la lecture analogique quelle qu’elle soit. Nombre de raisons techniques et de mauvais choix technico-commerciaux font que la majorité des DAC du marché ne peuvent pas être fidèles ou que votre CD ne peut pas être lu parfaitement.

Chez MSB, nous fabriquons des DAC depuis 30 ans, pas seulement les appareils mais surtout les circuits de conversion proprement dits, et nous savons ce qu’il s’y passe contrairement à la quasi totalité des fabricants de convertisseurs du monde audiophile. Voici un petit aperçu de ce que nous connaissons et qui pourra vous rendre les choses plus claires sur l’état de la technique actuel.

Le procédé de conversion ressemble pour beaucoup à un tapis roulant sans fin avec des récipients de un litre disposés dessus à intervalles réguliers et se déplaçant vers une station de remplissage. La taille des récipients est fixe et le rythme auquel ils passent est déterminé par le taux d’échantillonnage. Comme le montrent ces illustrations, le travail du DAC est de remplir chaque récipient au niveau parfaitement exact spécifié par la musique.

Il existe trois techniques pour accomplir ce travail : Delta/Sigma, Ladder (échelle) et le procédé MSB Sign Magnitude Ladder.

Delta Sigma (Single bit) :

Chaque échantillon ou récipient est rempli au plus juste niveau au moyen d’un grand nombre de verres versés jusqu’au niveau visé. Un verre de « un bit » est soit plein soit vide. Avec un oversampling de 64 fois, le verre est égal à 1/64^ème du volume du récipient. Sachant que le verre devrait contenir 1/16777216^ème du volume du récipient pour obtenir une précision parfaite, on peut considérer que la précision du remplissage laissera grandement à désirer. Cette fraction de 1/17 millionièmes correspond à un seul bit si le volume total est divisé en 24 bit. Heureusement les progrès techniques offrent un oversampling plus puissant (128 à 256) et les DAC D/S font parfois appel à plusieurs bit de définition (2, 4 ou même 6 pour les plus actuels en 2010) c’est-à-dire plusieurs tailles de verre. Il n’en reste pas moins que la précision mathématique n’est pas au rendez-vous. La taille du plus petit verre dans un DAC 24 bit à échelle MSB approche les 1/16777216^ème

Mention sur la technique du Ring DAC employée par certains fabricants : Le meilleur moyen de limiter l’imprécision d’un DAC Delta Sigma est d’en utiliser plusieurs et d’en moyenner les sorties individuelles. Les erreurs produites par un D/S étant aléatoires par nature, la multiplication en boucle a tendance à réduire l’erreur moyenne. C’est ce que nous faisions dans notre Gold Link DAC il y a 12 ans.

La vitesse de défilement du tapis roulant correspond au taux d’échantillonnage (44100 ou 48000 ou plus par seconde), 44100 récipients se présentent chaque seconde pour être remplis de la quantité d’eau la plus précise possible correspondant à la mesure indiquée par le code numérique de 16 bit (l’échantillon est donc transformé en impulsion électrique).

En gardant un comptage des erreurs et en allant un peu au dessus et un peu au dessous dans un très grand nombre d’échantillons, une moyenne très précise parvient à être obtenue mais seulement eu prix d’un filtrage agressif appliqué à la sortie. Le résultat reste un « résultat précis en moyenne » plutôt que précis à chacun des 44100 niveaux.

Ladder DAC :

Un DAC à échelle est différent dans le sens où, à la place de verres uniques comme instrument de remplissage (Single Bit), un large panel de verres est disponible du plus petit au plus grand. Toutes les combinaisons de verres peuvent être utilisées pour remplir le récipient exactement au juste niveau. Aucun filtrage en sortie n’est nécessaire mais la précision est définie par l’erreur cumulée de tous les verres utilisés.

Ce procédé est déjà très performant et la précision mathématique est satisfaisante, le coût de production est élevé.

MSB Sign Magnitude Ladder DAC :

Il s’agit d’un DAC à échelle mais raffiné de deux manières. Parce que les récipients ressortent typiquement (en moyenne) à moitié pleins nous commençons avec des récipients remplis exactement à la moitié plutôt que vides. A partir de là nous utilisons à nouveau un très large panel de verres de mesure pour ajouter ou enlever de chaque récipient.

Encore une fois, chaque récipient étant rempli avec grande précision, aucun filtrage en sortie n’est appliqué car nous n’avons dû ajouter ou soustraire qu’une infime quantité.

Parce que notre audition est très sensible aux sons de faible niveau, sons proches justement du niveau moyen ½ remplissage, nos convertisseurs sont le plus précis aux niveaux proches du ½ remplissage, là où nous utilisons les verres de mesure plus petits ou les plus précis.

Au Sujet de l’Upsampling :

Le sur échantillonnage synchrone comme le pratique MSB signifie juste que des récipients sont ajoutés entre chaque récipient d’origine et que le tapis tourne plus vite (96000 fois par seconde au lieu de 48000 par exemple). Les échantillons, représentés par les récipients, se suivent et évoluent dans le même sens puisque mis bout à bout ils forment une onde caractéristique. Ceci permet d’obtenir de plus petits pas et une onde plus linéaire comme illustré ci dessous. Il est facile de calculer précisément à quel niveau ils doivent être remplis en se basant sur les récipients d’avant et d’après.

L’importance du sur échantillonnage synchrone est d’ajouter de nombreux échantillons intermédiaires en ne remplaçant surtout pas les échantillons d’origine comme le ferait un procédé asynchrone.

Au Sujet du Jitter :

Le Jitter est une variation de la vitesse du tapis roulant. Avec un DAC Delta Sigma la quantité d’eau entrant dans le récipient est dramatiquement affectée par la vitesse du tapis car tout le cycle est occupé au remplissage avec de tout petits verres versés les uns après les autres. Dans le cas du Ladder DAC, toute l’eau est versée dans le récipient en même temps et même si celui-ci est un peu en retard ou un peu en avance, la quantité versée reste précise. C’est la raison pour laquelle le problème du Jitter ne s’est véritablement manifesté qu’après l’apparition des convertisseurs Delta Sigma sur le marché dans les années 90.

FEMTO 140 CLOCK

UNE HORLOGE AUX PERFORMANCES EXCEPTIONNELLES

Dans l’audio numérique, tout est question de synchronisation. Plus l’on recule les limites de précision d’une horloge, meilleur est le réalisme sonore à l’écoute. Avec la F77, puis la F33 nous avons repoussé les limites au maximum, celles du prix aussi. La Femto 140 accomplit l’essentiel de ce que réalise ces horloges avec quelques soucis d’économie dans la fabrication.

Réaliser une horloge conçue pour le monde de l’audio : voici la seconde horloge au monde dédiée aux applications audio et conçue pour cela. La première était la F77… Tous les autres circuits de synchronisation disponibles sur le marché reposent sur des horloges conçues pour les télécommunications et adaptées à des fréquences totalement différentes de celles qu’implique l’audio. Leur performance dans des applications audio est nettement dégradée et le jitter élevé.

Tout commence avec un matériau cristallin. Le cristal est connu pour résonner à une fréquence précise depuis des centaines d’années. Depuis nous avons perfectionné notre connaissance sur l’oscillation d’un cristal. Lorsque le bon cristal est parfaitement coupé de la bonne façon et qu’on lui permet de résonner à la bonne température, une horloge d’une précision sans précédent est créée. 140 Femto seconde de jitter représente environ un dixième de picoseconde, il s’agit d’une nouvelle espèce d’horloges fondée sur un nouveau cristal, un nouveau circuit et une nouvelle mise en oeuvre.

La Femto 140 est livrée en standard dans le modèle Reference DAC pour un gain en musicalité immédiat. Une horloge de haut niveau accentue la perception de la véritable nature de la musique originale. Avec cette horloge, un DAC révèle la délicatesse et la densité harmonique avec une finesse et une précision inégalée auparavant. La congestion des harmoniques qui se traduit en duretés pour donner un son numérique est tout simplement absente.

La capacité à reproduire l’espace sonore est intimement liée à l’expression parfaite des informations harmoniques. Grâce à l’exceptionnelle précision que procure notre horloge, l’espace sonore est retranscrit avec un niveau de réalisme jamais atteint auparavant. L’expérience auditive qui en résulte est relativement difficile à décrire ou à imaginer.

Le problème de la quantification du son est que les résultantes sonores agissent sur un autre registre que par exemple la performance intrinsèque d’un DAC. Se présentent donc deux vecteurs qui sont d’ordres différents et non corrélés, l’un concerne l’alignement temporel et l’autre la précision du décodage données/amplitude électrique.

Le filtre numérique, le sur échantillonneur et l’horloge concernent tous l’alignement temporel ou la synchronisation. Les Prime DAC ou Hybrid DAC déterminent la précision ou l’exactitude de l’information décodée. Pour être totalement sincères, plus la précision du DAC est élevée et plus l’amélioration sera ressentie à l’écoute. Et il se trouve que la précision de nos modules de DAC est incomparable.

L’influence de l’horloge dépend largement de ce qui a le plus d’importance pour l’auditeur. Celui qui souhaite pousser l’expérience jusqu’à ressentir les mouvements d’un violoniste et de son violon ou avoir l’impression que telle cymbale est là devant soi ou plus généralement de s’immerger « visuellement » dans la prestation musicale accordera de l’importance à une horloge de très haute précision. Celui qui n’en ressent pas le besoin mais place davantage d’importance à la sonorité générale, la tonalité ou la musicalité pure n’en n’aura sans doute pas l’urgent besoin.

LES MESURES

Mesurer une horloge est particulièrement délicat et subjectif au point que la comparaison des mesures de différentes horloges est pratiquement impossible. Chaque fabricant met en exergue le minimum de jitter qui est représenté par l’erreur d’intervalle de temps. Cette erreur étant grandement dépendante de la fréquence, elle est souvent mesurée et reportée pour les hautes fréquences, là où l’horloge est la plus performante. Il n’est donc pas fait mention du jitter aux plus basses fréquences où les horloges sont moins performantes, précisément dans le domaine de la bande audio.

Une mesure plus compréhensible serait le bruit de phase qui souligne le jitter de l’horloge dans la bande de fréquences. Il s’agit de regarder les effets indésirables de l’horloge à différentes plages de fréquences éloignées de la fréquence primaire de l’horloge. Cette indication est plus représentative de la performance audio pure.

L’Horloge Femto 140 présente justement des performances exceptionnelles en termes de bruit tout en garantissant un taux de jitter, au pire des cas 1Hz au-delà de la fréquence idéale de l’horloge, de 140 Femto seconde ou 0.140 Picoseconde. Nous admettons que cette mesure est relativement difficile à croire c’est pourquoi nous souhaitons partager quelques idées au sujet des mesures :

De la même manière que lorsque nous avons atteint de toutes nouvelles performances avec le DAC à échelle, le filtrage 32x, le sur échantillonneur 32bit 384kHz ou encore avec notre entrée USB à 384kHz, nous sommes parvenus à développer un circuit totalement différent lors de la conception de cette horloge.

Un niveau de jitter aussi faible est très complexe à mesurer et, de toute évidence, les mathématiciens pourraient discuter pendant des années de la méthode la plus exacte à suivre et des résultats obtenus.

Dans les faits cette horloge procure une amélioration considérable de la performance sonore et c’est ce qui compte car nous n’avons jamais visé un objectif de performances mesurées mais un objectif de performance sonore. Nous publions ce que nous mesurons avec nos méthodes et nous pensons qu’elles sont précises bien qu’il existe une vaste gamme de techniques différentes notamment en termes de niveau de signal et de fréquence (nous employons le 25MHz alors que la majorité des horloges fonctionnent à 10MHz). L’important est que tous les connaisseurs qui pourront mettre en doute ces spécifications seront unanimes pour admettre que le plus important dans une horloge n’est pas l’horloge elle-même mais l’endroit où elle est placée et comment sont signal est transmis et reçu par les DAC.

Le potentiel de jitter induit par ces deux étapes excède largement le jitter de l’horloge et une implantation mal réalisée peut conduire à un jitter à la sortie du DAC environ 1000 fois supérieur à celui de l’horloge. Nos DAC ont été conçus dés l’origine avec cette horloge à l’esprit et l’implantation interne est véritablement optimale.

F77 CLOCK

UNE HORLOGE AUX PERFORMANCES EXCEPTIONNELLES

Dans l’audio numérique, tout est question de synchronisation. Plus l’on recule les limites de précision d’une horloge, meilleur est le réalisme sonore à l’écoute. A l’aide de certaines technologies issues de l’aérospatiale nous avons développé une horloge d’une précision sans précédent dans le monde audiophile avec, comme résultat, une amélioration musicale parfaitement surprenante.

La conception originale de notre nouvelle horloge n’a jamais été auparavant appliquée au monde de l’audio. Par l’utilisation de matériaux spécifiques fabriqués avec une extrême précision, grâce à une mise en œuvre au cœur d’un circuit innovant en double OCXO, l’ensemble exploité dans un environnement à température contrôlée issu de technologies aérospatiale, les performances mesurées de cette horloge sont hors normes.

La F77 est installé en standard dans le Select DAC et en option pour le modèle Reference DAC pour un gain en musicalité immédiat. Une horloge de haut niveau accentue la perception de la véritable nature de la musique originale. Avec cette horloge, un Reference DAC révèle la délicatesse et la densité harmonique avec une finesse et une précision inégalée auparavant. La congestion des harmoniques qui se traduit en duretés pour donner un son numérique est tout simplement absente.

La capacité à reproduire l’espace sonore est intimement liée à l’expression parfaite des informations harmoniques. Grâce à l’exceptionnelle précision que procure notre horloge, l’espace sonore est retranscrit avec un niveau de réalisme jamais atteint auparavant. L’expérience auditive qui en résulte est relativement difficile à décrire ou à imaginer.

LES MESURES DE LA FEMTOSECOND GALAXY CLOCK

Voici nos mesures à 24.576 Mhz :

• Phase Noise at 1 Hz                                -85 db
• Phase Noise at 10 Hz                             -110 db
• Phase Noise at 1 kHz                             -120 db
• Phase Noise at 10 kHz*                         -150 db
• Guaranteed TIE (jitter down to 1 Hz)      .077 psec***.

* at CMOS output levels (For reference, at normal +13 dB levels the noise would be -170 dB).
** these measurements were at our measurement system noise floor. Actual values could be better but certainly not worse.
*** Calculated with an algorithm supplied by Agilent for low noise jitter calculation (3% accuracy predicted by author).

Step 2

A. Select “Audio” from the left menu panel.

B. Find your MSB product under the “Networked” section in the main panel and select “Enable”.

(optional) MSB recommends that you disable any and all other devices that are not in use in this panel. Devices can be disabled by selecting the settings cog wheels to the right of the device that is currently active.

Step 3

(optional)

A. At this point your MSB DAC is enabled and you should no longer see the blue “Enable” button, but instead see a box titled “Zone Name”. This gives you the option to name the MSB DAC or “Zone” as you choose and this can be changed at anytime.

Step 4

A. Now that your MSB DAC is enabled, select “Select an Audio Zone”.

Step 5

A. In the “Zones” panel to the right, select your MSB product. The “Unnamed” section in the example image should show your personalized name if you named the zone something specific from above in Step 3.

Resetting default settings

Step 1

To reset your renderer to the default settings follow the steps below. This is a recommended step if you are experiencing any technical issues before contacting MSB for support.

A. Open the navigation menu in Roon by clicking the icon in the top left of the Roon media player.

B. Scroll down to the bottom of the menu panel and select “Settings”.

Step 3a

A. (Optional) At this point your MSB DAC is enabled and you should no longer see the blue “Enable” button, but instead see a box titled “Zone Name”. This gives you the option to name the MSB DAC or “Zone” as you choose and this can be changed at anytime.

B. The Settings cog wheels in the right side of the panel allows you to deactivate or change the settings of your device. Be Sure that your settings match the ones listed in “Step 3b” below.

Step 3b

A. Click the cog wheel from “Step 3a” and select “Device Setup” in the drop down menu.

For best results while using any MSB USB be sure your settings match the ones in the example images below. Some settings like Sample Rate, Bits and DSD Sample Rate will be dependent on your device, but should be set to the highest setting allowable.

If the “SAVE” button is grayed out and un-selectable, then the settings are already saved as they appear.

**NOTE – If you do not see certain settings like “DSD Playback Strategy” and your USB is capable of these settings, please try restarting Roon before contacting MSB***

Step 4

A. Now that your MSB DAC is enabled, select “Select an Audio Zone”.

Step 5

A. In the “Zones” panel to the right, select your MSB product. The “MSB Listening Room” section in the example image should show your personalized name if you named the zone something specific from above in Step 3.

Step 6

The USB device is now ready to play music selected from your Roon library.

A. The currently selected zone is displayed in the bottom right hand corner of the screen to the left of the volume symbol.

B. If you select the volume symbol, you can control the volume of MSB DAC directly by using the small slider that comes up.

MSB Pro USB

The Pro USB

The Pro USB is a USB to ProISL adapter. This allows you to play music from a computer or server via USB into our DAC via our isolated, clock synced ProISL interface.

The benefits of this system are mainly be for isolation of noisy computer solutions.  Using any length (up to 1km) Pro ISL Cable, the computer/server can be removed from the audio system.  This removes the need for network cables in the system setup.

Pro USB computer setup and operation is the same as other MSB USB inputs.

Drivers and driver installation instructions are located > Here.

Firmware and firmware instructions are located > Here.

Physical Module connections and setup are shown below.

Key Features

• 768kHz PCM Playback
• 8x DSD support*
• Full MQA decoding*
• 100% Electrical isolation between the DAC and server/computer
• Uses the audio clock from the DAC
• Supports ProISL cable lengths up to 1km without any loss
• Requires ProISL Input module in the DAC
• Will only work with current DACs (Discrete, Premier, Reference, and Select)

*8x DSD and MQA support require firmware updates in the DAC

Multi-part Solution

The Pro USB is one part of a multi-part low noise USB solution. It converts the USB signal from your computer into MSB’s proven proprietary Pro ISL format. The full connection requires the following:

• Roon Core / Server / Computer
• Current generation MSB DAC
• Pro ISL Input Module
• Pro ISL cable
• Pro USB

Pro USB Connection Setup