NOS 多比特解码器详解：TDA1541、PCM1704 与经典芯片

无过采样（NOS，亦称无过采样）与多比特转换器再度流行，随之而来的是一套容易混淆的术语：NOS、多比特、R-2R、电阻阵列（ladder）、Δ-Σ（delta-sigma）、bitstream。本文厘清这些术语，介绍 NOS 设计所依托的经典 Philips 与 Burr-Brown 芯片，并坦率说明 NOS 解码器能带来什么、又要付出什么代价。

NOS（无过采样）是什么意思？

CD 每个声道每秒存储 44,100 个采样。几乎所有现代解码器都会先让这些采样通过数字插值滤波器。滤波器在真实采样之间计算出额外的采样（即过采样，通常为八倍或更高），并去除采样过程产生的音频频段镜像。此后，转换器才把数字转换为电流或电压。

无过采样解码器省去了这一环节。每个原始采样一到达就被转换，并一直保持到下一个采样到来。工程师称之为零阶保持（zero-order hold）：波形被画成一级级细密的阶梯。任何平滑处理都在其后的模拟域中完成——在输出级中，在一个平缓的模拟滤波器中，或者干脆依靠系统其余部分有限的带宽。

本文中的 NOS 指无过采样，与“new old stock”（NOS 库存原装管，即未使用过的老电子管）无关，尽管 NOS 解码器也常常用到这类老管。

多比特、R-2R 与 Δ-Σ：区别在哪里？

“R-2R 还是多比特？”这个问题混淆了两个层面。多比特描述的是转换器做什么：它一步完成每个采样的转换，每一位对应一个加权单元，因此一个 16-bit 数据字会同时切换十六路加权电流。R-2R 描述的是实现这些权重的一种方式：由阻值为 R 与 2R 的电阻构成的阶梯网络。因此，所有 R-2R 解码器都是多比特的，但并非所有多比特解码器都是电阻阵列。

• 采用加权电流源的多比特芯片。Philips TDA1540 与 TDA1541 产生按二进制加权的电流，并以动态元件匹配（dynamic element matching）保持其精度：这一技术不断轮换高位电流源，使它们各自的微小误差相互平均。
• 采用激光微调电阻阵列的多比特芯片。Burr-Brown PCM63 与 PCM1704 内含出厂时经激光微调的电阻网络，并在过零点附近配有额外电路——对安静的音乐而言，电阻阵列的误差恰恰在这一点上影响尤其大。
• 分立 R-2R。在电路板上用许多精密电阻搭成电阻阵列，并由逻辑电路切换。目前以“R2R 解码器”名义销售的产品，大多采用这种方式。
• Δ-Σ（delta-sigma）。转换器只用很少的电平，以很高的速率工作，并把由此产生的噪声推到音频频段以上（噪声整形）。精度来自时序，而非来自配对的元件。Philips 把它的 1-bit 方案称为“bitstream”。几乎所有现代芯片都是 Δ-Σ 架构；有些用的是数位而非一位，例如 Cirrus Logic CS4397，它是一款多比特 Δ-Σ 设计。

因此，“1-bit 还是多比特”是真正的架构差异，而“R-2R 还是多比特芯片”主要是电阻阵列所在位置的差异：在硅片上，还是在电路板上。

经典芯片一览

这五款芯片都早已停产。如今用它们制作解码器，意味着要寻找库存老货并逐一检查，因为市面上流通着重新打标的芯片。

Philips TDA1540

Philips 初代 CD 机所用的转换芯片。它是一款 14-bit 芯片，在那些机器中配合四倍过采样与噪声整形，达到 16-bit 的性能。若直接输入 16-bit 数据字，14-bit 芯片本身无法分辨低两位，因此 NOS 设计如何处理这两位，属于设计上的取舍。听者常形容它的声音自然、从容不迫。

Philips TDA1541 与 TDA1541A

16-bit 立体声后继型号，也是人们一提到 NOS 解码器就会想到的芯片。TDA1541A 的精选等级标有 S1 与 S2（即“单皇冠”与“双皇冠”版本），经过筛选，线性更好。人们普遍形容它流畅、音色饱满、动态强劲；也有听者觉得它的高频延伸不及现代芯片。

Philips TDA1547

TDA1547 常被称为 DAC7，属于另一个家族。它是 1-bit bitstream 转换器，而非多比特芯片，其设计是接收来自 SAA7350 等配套处理器的高速率、经噪声整形的信号。因此，过采样本就是它工作方式的一部分。采用这款芯片的 1990 年代播放机的用户，形容其呈现顺滑、偏暗而精致。比较 TDA1541 与 TDA1547，是在比较两种架构，而不是同一思路的两代产品。

Burr-Brown PCM63

一款采用 Colinear 设计的 20-bit 单声道芯片：两组互补的电阻阵列经过特别布置，使过零点处的主进位误差保持在很小的水平，而过零点正是每一个安静信号都要经过的位置。芯片按线性分级，其中 K 等级的筛选要求高于其他等级。人们普遍形容它规模感宏大、有分量。我们的 PCM63 数据手册笔记对等级划分与电流输出有更深入的介绍。

Burr-Brown PCM1704

一款 24-bit 单声道符号-幅值芯片，是经典高端电阻阵列解码芯片中的收官之作。人们普遍形容它精确，低频受控，起音有力。被问到“PCM63 还是 PCM1704？”时，听者通常拿 PCM63 的规模感与形体感，对比 PCM1704 的控制力与细节。

NOS 能带来什么？

• 信号路径中没有数字滤波器。陡峭的过采样滤波器会在瞬态前后产生振铃。NOS 解码器没有这种滤波器，因此其脉冲响应中不存在预振铃。
• 短而简单的信号路径。没有插值芯片，没有额外的时钟域，数据与输出之间的元件更少。
• 芯片本身的个性。许多听者偏爱优秀多比特芯片在低电平下的音色密度，NOS 让这种特质原样到达输出端。

NOS 的代价是什么？

• 高频滚降。零阶保持本身带有平缓的高频衰减斜率。对于工作在 44.1 kHz 的理想转换器，这一衰减在 10 kHz 处约为 0.7 dB，在 20 kHz 处约为 3.2 dB。这正是 NOS 及部分 R-2R 设计的高频常被形容为柔和而非锐利的原因之一。
• 镜像频率。没有数字滤波器，音频频段的镜像会出现在 22.05 kHz 以上。一个 20 kHz 的音调会伴随一个 24.1 kHz 的镜像，电平只略低一些。镜像本身听不见，但它们会到达功放和高音单元，任何在这些频率上不够线性的环节，都可能把它们折叠回音频频段。设计者要么加一个平缓的模拟滤波器，要么为了更简单的信号路径而接受它们。
• 测量表现。失真与噪声高于现代 Δ-Σ 转换器，而能否达到真正的 16-bit 线性，取决于芯片及其等级。
• 格式。NOS 设计面向 16-bit / 44.1 kHz。高采样率与 DSD 需要另一种架构，我们关于 SACD 与 DSD 的文章说明了其中的原因。

为什么输出级如此重要

这五款芯片输出的都是电流，而非电压。输出级必须把电流转换为电压（I/V 转换），提供增益，并驱动通往功放的线材。这一转换可以由一只电阻、一个运放、一只变压器或一级电子管电路完成。在 NOS 解码器中，输出级还要承受镜像频率，因此它的带宽以及 20 kHz 以上的线性，比在数字滤波器之后更为要紧。

电子管还是固态输出级？

固态输出级的输出阻抗与噪声更低，对长线材也不敏感。电子管输出级主要增加低阶谐波，许多听者会因此听到人声周围更多的形体感与空气感；它需要预热，电子管也会老化。两者本身都谈不上对错。如何选择，取决于后面接的功放，以及系统其余部分已经带来多少染色。

NOS、过采样还是可编程逻辑？

如果您的音乐库以 CD 和 CD 品质的串流为主，NOS 多比特解码器可以直接播放，无需转换到其他采样率。如果您听高解析文件或 DSD，过采样设计更适合您。可编程逻辑（FPGA）解码器则处在另一端：设计者自己编写滤波器，有些还会把所有 PCM 转换为 DSD。“可编程逻辑（FPGA）还是 R-2R？”这个问题，实际上是理念之争：计算出来的滤波，对比完全不滤波。

哪款 Demograf Audio 器材适合您

• Reference Tube DAC 采用同一机箱，分为五个版本，每个版本对应一款芯片，各有其名：Calliope（TDA1540）、Persephone（TDA1541）、Aphrodite（TDA1547）、Artemis（PCM63）与 Katerina（PCM1704）。它通过 S/PDIF 同轴输入接收 16-bit / 44.1 kHz PCM，不升频，也不支持 DSD。按 Dmitriy Gubchenko 的调声，Calliope 自然耐听，Persephone 速度感强，Aphrodite 深沉丝滑，Artemis 规模感宏大，Katerina 低频与起音有力。标准输出级为固态；也可选配电子管输出级，采用 6Zh4、EF14、EL8、AL4 或 ML6，配 5Ts4M 整流管。
• Hades（D 类功放）与 Bellerophon（甲乙类功放）内置解码器，芯片在下单时选定：标配 Cirrus Logic CS4397，也可选 TDA1540、TDA1541、TDA1547、PCM63、PCM1704、R-2R 电阻阵列模块或可编程逻辑模块。
• Hyperion 采用 CS4397 多比特 Δ-Σ 芯片，面向需要 USB 输入（可达 24-bit / 192 kHz）与 DSD256 的听者。
• Prometheus 是可编程逻辑解码器：PCM 被转换为 DSD，再通过窗口滤波器（window filter），原生支持 DSD1024，PCM 可达 32-bit / 768 kHz。

每一台解码器都由 Dmitriy Gubchenko 制作。每台器材均随附本机测量报告。如果您不确定哪款芯片适合您的系统，欢迎来信，告诉我们您的功放、音箱以及您常听的音乐。