ラズパイ4で音楽サーバーを組んでみたら

ラズパイを音楽サーバーとして使ってみたら、結構面白かったのでご報告します。

ラズパイとは

ラズパイとはもともと格安のワンボードコンピューターで当初は5000円くらいだったと思います。その後機能が増えて、CPUも高性能になって現在のラズパイ4は(メモリーにもよりますが)1万円くらいします。ただ現在の半導体不足の影響で在庫が少なく一時的に2万円位で流通している様です。

このラズパイを音楽再生に応用することは一部のマニアで以前から盛んに行われていたようですが、特にハイエンド向けとしてはあまり知られていなかったように感じていました。

現在のラズパイ4はコンピューターとしての基本機能はほとんど盛り込まれています。ただし基本的にLinuxをインストールしますので、windowsのソフトは使用できません。

これが実際の基板ですがここにLAN、Wifi、Bluetooth、USBx4、HDMIモニター出力x2、アナログ出力、USBtypec電源入力などがついています。これだけでリナックス系のPCとして機能するのですから大したものです。

音楽サーバーとしてのラズパイ

音楽サーバーとして使用するには、専用OSがあるのでそれを使用するのが手っ取り早いと思います。最も有名なのがVolumioというもので最新版はVolumio2となっています。

Volumio2をダウンロードしてSDカードに焼き、ラズパイ4に差して電源を入れれば音楽サーバーの完成です。

ラズパイ音楽サーバーの機能

ラズパイの接続ブロック図

で何ができるかというと有線、または無線LANで接続した家庭内LANに接続されているHDDやNASなどの音源を画面上で選べば再生してくれます。ラズパイのアナログ出力からももちろん音は出ますが、これはおまけみたいなものなので、プラグインのDACボードを重ねるか、USB端子にUSB-DACを接続すればハイエンドの音が期待できます。

機能的にはDELA N100に近いと思います。

操作性は

ラズパイを操作するには、ラズパイ本体にマウスなどを接続して操作できることはもちろんですが、他のパソコンやタブレット、スマートホンからも遠隔操作できます。インターネットのブラウザが開ける端末であればなんでもOKです。

PCのブラウザで開いたラズパイのアルバム画面

ただアルバムアートはwindowsでは正常に表示されていたものが、フォルダ構造のせいか表示されないものが多くなりました。またアルバムアートの絵そのものもフォルダに保存したjpgではなくて、メタデータからインターネットでそれらしい画像を拾ってきているらしく、今まで見たジャケットと異なるものを示している様です。

ラズパイ本体に5インチタッチパネルを付けたところ
タッチパネルで操作も簡単 、PC・タブレットからの遠隔操作も

演奏中の曲名にタッチしてこのような表示にすると曲名が文字化けします。windowsとlinuxでの日本語表示では使用している文字コードが異なるからだそうです。

Volumio2を使用した再生方法に関する解説は五万とあるので、詳しい情報は検索してください。ただこの辺に詳しい方はどちらかというともっぱらPCに詳しい方で、我々の想像するオーディオマニアとは少しカテゴリーが違うように思います。つまり音質の評価基準、ほんとにどのくらい良いのかがわからないのです。

肝心の音質は?

このミュージックサーバーを当社のDCDAC-180にUSB接続して再生してみました。そしてはオーディオマニアを自称する私の音質に対する評価ですが、解像度の高さは感じさせるものの、何か後ろでガチャガチャ余計な音がしている様で、高級な音ではないように思います。

ラズパイ4の消費電力は最大5V1.8A程度で、周辺機器の接続も含めると3Aが推奨されています。ですので通常スイッチングDCアダプターを組み合わせます。スイッチング電源を使用したときの音質はまあこんなもんでしょ、なのです。解像度は高く情報量が多いのですが、同時にうるさく、妙ににぎやかな感じがして解像度の高さを邪魔しています。質の悪いデジタル機器を使用した時特有の悪さもあるのです。このままではハイエンドオーディオ用途としては使用するのはちょっと厳しいかもしれません。

ところが

ところがこれをスイッチング電源ではなく、アナログ電源で試してみると話は一変します。

長くなりましたので続きは別編その2でお話しします。

オーディオ機器のジッター特性を実測してみました 結構意外な結果が……

はじめに

DAコンバーターなどでジッターが小さいということがよく謳われていますが、実際にジッター特性を計測した例はほとんど見たことがありません。水晶発振器のカタログ上のジッター値を掲載してxxpsとか、はたまたxxフェムトsなどと言っていますが、実際のところは謎です。

オーディオプリシジョン製のオーディオアナライザーSYS-2722にはジッターの測定機能がありますので、ジッター特性を計測してみました。SYS-2722単体ではSPDIF信号のジッター解析が可能です。この測定器にはSPDIFのデジタル出力(XLR、光、同軸)とデジタル入力があり、SPDIF出力をSPDIF入力に接続すると測定系のジッターが計測できるのです。

その前に、オーディオアナライザーSYS-2722の構成について

そもそもこの測定器単体は測定だけを行っていて、その制御は別のPCで行います。windows10用の測定ソフトがダウンロードできますので、それを自分のPCにインストールして計測システムを構築します。またSYS-2722との接続には専用のインターフェースボード(GPIBボードのようなもの)をデスクトップPC内に増設するか、USB接続アダプターを使用して接続します。USBアダプターがあるとノートPCでも測定・制御が可能です。

測定系の接続としてはこれだけ

複雑な測定ではこう(ご参考)

SPDIF信号のジッター解析(測定器)

まず最初に測定系のジッター解析を調べます。 この測定器にはSPDIFのデジタル出力(XLR、光、同軸)とデジタル入力があり、SPDIF出力をSPDIF入力に接続すると測定系のジッターが計測できます。

測定した結果がこちらです。縦軸の目盛が切れていて申し訳ありません。縦軸はUI(ユニットインターバル)になっていて、サンプリング周期(sec)となります。今回48kHz(赤)と96kH(青)で測定していますので、それぞれ1UIが21usecと10usecになります。この測定ではXLRコネクタで接続しています(AESか?)。

SPDIF信号のジッタースペクトル

結果を見ると1kHz以下で周波数が低くなるにつれてなだらかに上昇していますが、1kHz以上でほぼ一定となっています。さらに2kHz以上で周期的にスペクトルの上昇がみられます。SPDIF信号に1kHzの正弦波を使用したので、その影響かもしれません。96kHz(青)が全体的に2倍になっていますが、これは縦軸の基準がUIなので、見かけ上そう見えるだけです。

いよいよCDプレーヤーのジッター特性の測定結果

次に実際CDプレーヤーでのジッター測定してみます。今度はCDプレーヤーのSPDIF信号をSYS-2722のSPDIF入力にいれて、同じ測定をしてみます。CDプレーヤーは手持ちの2台DV-600AVとSD-9500を使用しました。


測定したプレーヤ
DV-600AV簡易DVDプレーヤ


SD-9500
東芝のフラッグシップDVDプレーヤー
ついにSACD(DV-600AV)購入: 地蔵の気まぐれブログDVD-VIDEO TOSHIBA SD-9500 | Hi-Fi.ru

測定結果はこちらです。

ピンクがSD-9500、赤がDV-600AVです。測定時は音楽CDを入れて演奏しています。ピンクのSD-9500ではなんと測定系のバックグラウンドまでスペクトルが低下しているというか、それよりもいいくらいです。一方赤のDV-600AVではジッターが全体的にジッターがてんこ盛りになっていて、はっきりとした差(10倍以上)が出ました。

今回SPDIF信号のジッターを測定しているわけですが、実際にDV-600AVのSPDIF信号をDACに入れて再生しても、特に音質は悪くはないので、これをもって音質と直接の相関があるとは言い切れないのですが・・・。ただ測定結果としては興味深いと思います。DACのクロック系のジッターとSPDIF信号のジッターでは音質へのインパクトが異なるのかもしれません。

ジッター信号のヒストグラム

SYS-2722は上記のジッタースペクトル(FFT)以外にも様々な観点から観察できます。

以下は信号の時間のずれのヒストグラムになります。横軸が時間で縦軸が確率です。DV-600AVでは+-4nsec、SD-9500では+-1nsecに収まっていることがわかります。またその頻度は最大2、3%です。

ジッター信号の時間経過

こちらはジッター成分の時間経過を観測したものです。SD-9500が圧倒的にジッター成分が小さいことがわかります。この図でみるとジッター成分はほぼ周期成分に見えます。

終わりに

以上、オーディオアナライザーを使用してジッター特性を測定してみました。今後さらにいろいろなジッターを測定してみようと考えています。

DAコンバーターの真性(intrinsic)ジッターを計ってみました

はじめに

DA コンバーターに置いてクロックジッターはとても重要な問題です。しかしながら定量的なデータはあまり見たことがありません。ここでは DA コンバーターとクロックジッターの関係について解説してみたいと思います。

クロックジッターとは

一般にクロックジッターとはデジタル回路のクロック信号における周波数のゆらぎのことを指します。 DA コンバーターなどのマスタークロック信号は水晶発振器ですが、この水晶発振器そのもののジッターを測定するには500万円クラスのデジタルオシロスコープが必要です。

ただ水晶発振器のリッターについてはその特性がメーカーのデータにつ

いていますので測定しなくても比較することが可能です。

このグラフは100MHzくらいの水晶発振器の中で、特に低ジッターのものについて1kHz付近の位相ノイズを比較したものです。数百円でもかなりジッターの少ないもの(-160dBc/Hzクラス)のものがあります。ただ一番低ジッターな水晶発振器では-180dBc/Hzというものがあり、これだと数十万円します。

クロックのジッターが DA コンバーターに与える影響

DA コンバーターにおいてはジッターの要素は2種類あります。一つはデータジッター、もう一つは イントリンシック(真正*)ジッターと呼ばれるものです。

(*真性というのは私がつけた訳です。)

データジッター

データジッターとはデジタル信号の非周期性に関わるもので、例えばSPDIFのデジタル信号を受信する時に必然的に発生するジッターです。これは根本的にクロックジッタとは異なるものですクロックがたとえ完全に正確であっても発生します。
このデータジッタを測定する方法は J テストと呼ばれ、これまでにもいくつか実測例が紹介されています。具体的には11.025 kHz に1 LSB の信号を混ぜてDACに入力し、その時の信号スペクトルを測定するものです。

真正ジッター

それに対して真正ジッターというのは DA コンバーターにおいてクロックのジッター成分によって発生する歪信号のことを指します。

クロックジッターがある場合 のDA コンバーターの出力への影響は、理論式があります。結論としてはクロックジッターの成分fjがあると、そのジッター成分の周波数+-fjだけ基本波fから離れたところに、サイドスペクトルf+-fjが発生します。そしてそのサイドスペクトルの大きさは、信号基本波fの周波数に比例します。ですので真正ジッタを測る際は

基本波信号の周波数をできるだけ高くして(20kHzで)測定します。

真性ジッターの測定例

こちらはオーディオプレシジョン社の技術ノートに掲載されているジッターの測定例です。 20khz の信号スペクトルの両サイドにジッター成分が検出されています。さらに離れたところにもノイズ成分があるのですがこれは左右対称ではないのでおそらくノイズであると考えられます。

 

 

次に最近の DA コンバーターについて、この真正ジッターを測定した例を示します。

左図は ES9038 Pro を使用した他社の DA コンバーターの真正ジッターの測定結果です。20khz の信号を入力しその付近でのサイドスペクトルを拡大して見ています。 20khz の両脇100Hzずつ離れたところにスペクトルが発生しているのがわかります。この DA コンバーターでは100ヘルツのクロックジッターがあるということになります。実はクロックへの供給電源が安定していないために100 L 成分のクロックジッターが発生しそれが DA コンバーターの出力に影響しているということになります。

次にこちらはオーディオデザイン社の ES 9038 Pro を使用したDAコンバーターのスペクトルです。 こちらは基本波のみ観測されていて、サイドスペクトルが一切発生していないことが分かります。すなわちジッターの影響がまったくが検出されていないということになります。

DAコンバーターのジッター成分

他社製DAコンバーターの場合

以上は基本波のサイドスペクトルからジッターの影響を見てみましたが、SYS-2722ではジッター成分を分析することができます。例えば先の他社製DACのジッタースペクトルがこちらです。赤線(左軸)がジッター成分ですが、100Hzの整数倍で大きなジッターが発生していることがわかります。

 

実はこの他社製DAコンバーターもかなり超低ジッターのクロックを搭載しています。この100Hzの整数倍というジッターは水晶発振器そのものの基本性能によるものではなく、水晶発振器の電源、あるいは実装技術の不備によるものです。このDAコンバーターのクロック波形を長周期で見てみると、100Hz位に相当する周期で振幅が揺らいでいます。この振幅のむらがジッターとなって影響しているのです。

 

当社製DAコンバーターの場合

 

一方当社のDAコンバーター、DCDAC-180のジッター成分はほとんど検出されていません。

 

 

 

終わりに

以上DAコンバーターのジッターについて解説しました。実際に調べてみると、予想とは大きく異なる結果が出てくるものです。

 

ジッター測定に関して詳細に知りたい方は下記をお読みになることをお勧めします。AudioPrecision社のwebサイトからダウンロード可能です。

参考文献:AudioPrecision社 Application note #5 ”Measurement Techniques for Digital Audio” , Julian Dunn

 

以上の話はこちらのコラム”オーディオにおけるジッターの話にもまとめてあります。

パイオニアのstellanova/ステラノバがヒョンなことから(ほぼ)完璧に(思えば遠くに来たもんだ)

パイオニアのstellanova/ステラノバの製品を以前に紹介しました。これはハイレゾ音源のワイヤレス受信機?みたいなもので、手持ちのUSB-DACをワイヤレス化できるという優れものです。下手にUSBケーブルを伸ばすよりも音質的には良くて、価格も安く(2万円位)とても良い製品なのです。

もちろんハイレゾも圧縮せずにリアルタイムで送信・再生できます。

ただ、検討してみてどうしてもだめなことがありました。音がプツプツと時々途切れるのです。メーカーの説明書にはメモリーバッファのサイズを大きくしてみてとか、使用するWIFIのチャンネル(5GHz帯)を変えてみて、とかヒントがあったので試したのですが、どうしてもだめでした。

結局常用使用を諦めていたのですが、最近なんとなくうまくいくような予感がして(超一流のエンジニアにはこの霊感が大事)再度接続してみました。

音やっぱり途切れます、・・・やっぱり駄目か、と思ってなにげにステラノバの位置や向きを変えてみました、音の途切れは無くならないのですが変化がありました。もしやと思いステラノバをDACのケースから離して置いて見ました。そうするとなんと音の途切れがなくなりました。完璧です。

おそらく金属ケースの真上に直置きすると内蔵のアンテナから出た電波がすぐ下のシャーシで反射して、ゴーストのような電波となり、安定な通信ができなかったのだと思います。

ステラノバの安定性で悩んでいた際、WIFIルーターの設置方法のようなHOWTO本はいくつか読んだのですが、そういえば壁から離せとかアンテナの向きがどうだこうだと書いてありました。

いま振り返れば遠い道のりでした。

ステラノバを導入するためにマックは大嫌いだった私がipadを買い、それでもだめでMacbookAir(10万円)を買い、WIFIの本を数冊買い、WIFIの設定に十時間を費やし、さらに音切れ対策に数十時間を費やしてもだめだったのですが、ちょっと浮かせれば良かったなんて・・・。

空き箱の上に載せて浮かせたステラノバ

オーディオ(通信自体はオーディオではないが)とはこういうものかもしれません。

ここでやっとその勇姿をお見せします。これがその完璧に稼働中のステラノバ。

本当は15Vの付属DCアダプターで使用するのですが、当社のDCA-12Vで動いてます。

かっこえー。

 

翌日以降やっぱりまれに音が途切れます。1時間に1回(1-2秒)位の頻度で、まあ許容範囲かな。98点というところでしょう。

只今検討中 -DACのクロックジッターとIVコンバーターのディスクリート化-

最近はDACの検討を行っています。

一つはクロックジッターの改善です。DACチップに使用するクロックの精度は音質に影響を与えることで知られていますが、いろいろと調べてみると数種類のクロックジッターに特に優れたクロックが在るようです。クロックジッターは位相ノイズ特性で記述されることが多いのですが、そのカタログ値を調べたものがこちらです。

測定限界に近いレベルのものが数種類あるうことがわかります。お値段も相当なもので、中には数十万円するクロックもあります。

左の上の橙色が普通に良いクロック(これでもUltraLowPhase Noiseと称している)、下の5本の線が業界最高レベルのクロックです。通常のルートでは市販されていないものもあり、レーダーや放送局な

ど特殊用途で使用されているものもあります。

その一つを導入テストしている様子がこちら。上のでかいのが水晶発振器です。5cm角くらいあります。

それともう一つ、IVコンバーターをディスクリート化したDACのテスト機です。7/6の試聴会でお聴かせできると思います。

 

試聴会の方は100名位のお申込みがあったのですが、ダブっているものやキャンセルを整理すると実質80名程度で、まだ若干の余裕があるのでご興味のある方は是非お越し下さい。

7/6試聴会のお申込みはこちら

 

測定器AudioPrecision社製SYS-2722を導入しました

オーディオプレシジョン SYS-2722

測定器AudioPrecisionSYS-2722を導入しました。もちろん非常に高価なので中古です(中古でも相当高いのですが・・・・)。現在テスト中ですが基本的動作に問題はないようです。

1Khzの信号スペクトルを取るとこんな感じです。ベースラインは-140dBあたりになっています。今

まで使用していたローデ・シュワルツ(R/S)社のオーディオアナライザーUPL古い機種ですので、実質-120dBくらいでしたので一桁良くなっていると言えるかもしれません。

またSYS-2722の方は外付けの最新

のPCから制御しますので、その操作性は抜群に向上しています。UPLでは条件設定でいちいちメニューから潜って数値を打たなかったので、それに比べれば雲泥の差です。UPLではではデータのやり取りがフロッピーディスクで事実上できなかったのですが、その点もかなり違います。(UPLが内蔵しているパソコンのOSはwin95の様です。)

SYS-2722はご存知の通りジッターも測定できますので、今後はDAC周りの解析評価もしていきたいと思います。