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。

ジッター特性を実測してみました その2 PC出力のジッターは?

はじめに

前ブログではCDプレーヤーのSPDIF信号についてジッターを測定してみました。今回はパソコンとSPDIFアダプターの組み合わせについて調べてみました。

使用装置

使用したのはこのHifaceではDellのラップトップInspiron14(corei7,win10)の組み合わせです。

Hiface

測定結果

話が前後しますがオーディオアナライザーSYS-2722ではまずデジタルオシロの様に波形観測ができます。これは実際にSPDIF信号(44.1kHz)の出力波形を測定したもので44.1kHzの64倍の2.82MHzをベースに1、0の信号が出ていることがわかります。

ジッター信号のヒストグラム

この信号の本来の周期からのずれを測定したものがジッターとなります。その時間誤差の値を頻度で表示したものがこちらのヒストグラムです。

画像に alt 属性が指定されていません。ファイル名: image-18-1024x908.png
Hifaceのジッターヒストグラム

前ブログのCDプレーヤのもの(下図)と比較するとほぼ同じ形に見えますが、実は縦軸がこちらは10%と2倍になっていますので、誤差の頻度は2倍に大きくなっています。時間の誤差(横軸)は+-1nsで、SD-9500のジッターと同程度であることがわかります。

CDプレーヤーのジッターヒストグラム

PC+Hifaceのジッターは安価なCDプレーヤーよりはよいものの、最上位機種のプレーヤーには劣っています。

ジッター信号のFFTスペクトル

こちらはHiface出力のジッターのFFTスペクトルです。その下のCDプレーヤーのジッター値と比較すると、ほぼSD-9500(ピンク)と同じであることがわかります。ただkHz帯にSD-9500では見られないピークが多数出現していてこれらがジッター値悪化の原因になっているのかもしれません。kHz帯のピークはPC由来のノイズかもしれません。

画像に alt 属性が指定されていません。ファイル名: image-16-1024x723.png
Hifaceのジッタースペクトル
CDプレーヤーのジッタースペクトル

終わりに

ということで、PC+デジタルインターフェースの組み合わせについてジッター特性を測定してみましたが、単純に機器の形態(プレーヤーかPCか)ということではなく、その機器の品質・性能に左右されているのかなと感じました。

また、再度お断りしておきますが、一般にジッター特性は機器の再生音質を左右する重要な要素ではありますが、今回の機種に関しては再生音質とジッター性能にあまり相関が無いように思います。
この辺がオーディオの奥が深いところで、常に模索する日々が続いています。

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。

あるES9038を使用したDACが研究材料として面白い

海外のサイトで販売しているES9038を使用したDAコンバーターを入手したのですが、これが研究材料として非常に面白いので紹介します。

ES9038を使用した最新最高性能のDAコンバーター?

ESS社のDACチップの最高峰のES9038Pro を使用しています。聴いてみると、音質も非常にいいと思います。繊細ながら押し出しの強さも合って、このDAコンバーターの購入者の評価がほとんど満点に近いのも頷けます。

同じチップを使用した大手メーカーの非常に売れている、二十数万円のDAコンバーターを試聴したことがありますが、それよりもずっと良いです。その大手メーカーのDACは貧弱な弱々しい音で、どこが良いのかわからないような音でした(それでも市場の評判はとてもいいようですが)。

この、海外サイトのDAコンバーターが音が良いのに何故面白いかというと、特性は良くないのです。このDAコンバーターはおそらく、この手の製品に精通した人が作っていて、その人はかなり技術のある人だと思います(ずぶの素人ではありません)。作りも多少外観に雑なところはありますが、基板の造りなどはプロ顔負けで、かなりいいです。

このDACのおかしいところ

1. 最大入力で振り切れている

このDACのおかしいところは、なんと最大入力SPDIFの0dB入力で振り切れています。これだけ振り切れていれば、聴いておかしいと気づくだろうと思われるかもしれませんが、意外とわからないのです。CDなどの音源も0dB付近まで信号が録音されているものはまれなので、普通のソースでは意外と気づかないのです。このDACの製作者はSPDIFの信号発生器を持っていないのだと思います。

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2. ジッター(?)の悪影響がひどい、ジッターというレベルではない

左の図は1kHzのスペクトル波形です。3kHzで-100dBのTHDがあり、このクラスのDACとしては一桁高いレベルです。

このDACはES9038のマニュアルに記載されている通り、OPアンプでIVコンバーターを形成しているのですが、このチップではOPアンプを使用すると、必ず歪が盛大に発生します。おそらくESSの設計者は(多分アナログのことは全くわからないので)そのことに気づいていない可能性すらあると思います。

それよりも気になるのは1kHz近辺の裾野のピークで、これだけはっきり見えるのは珍しいです。

10kHz の信号に切り替えて、そのスペクトルの裾のを見たのが次の図です。ちょうど100Hz間隔でピークがあります。前の図で確認してほしいのですが、この100Hz間隔のスペクトルはハムではありません。前の図で100Hz由来の成分は皆無ですから。

勘違いしないでいただきたいのですが、ジッター測定でよくある11.025kHz+1bitの元波形(原理的に一定間隔でピークが出る)ではなく、10kHzのサイン波形そのもののデジタル入力でこの裾野が出ていることです。ジッターというのはクロックのジッター成分そのものがアナログ信号出力に現れるとされているので、このクロックのジッター成分が100Hzであることを示唆しています。ただクロックのジッター成分が主に100Hzというのは聞いたことがありません。

3. その原因が水晶発振器のジッターというよりも、クロックの振幅の乱れから来ている

そのES9038に供給されているクロックの波形がこちらです。振幅の安定性を見てもら

DSC_0032

うために、わざと長時間の観察にしてあります。これを見てもらうと明らかなように、振幅がかなり荒れています。100Hzのジッター成分はクロックの周波数のゆらぎから来ているのではなく、振幅のゆらぎから来ているようです。

いい忘れましたが、このDACは超低ジッタークロックオプションを選択しています。市販品の中でも特別なクロックを搭載しているのです。折角そういったクロックを搭載しても、クロックの電源周りが貧弱だと性能が発揮されないということだとだと思います。

とはいえこのDACは普通の市販DACよりもかなり音がいいのですから、面白いものです。

DVD-Audioが生き返りました ハイレゾの時代にこそ、この方式

DVD-Audioは終わってしまったが

DVDAudioは一時CD以上のサンプリング周波数、ビット深度が再生できるフォーマットとして開発されましたが、ほとんど普及しませんでした。その後ハイレゾが普及し、DVD-Audioの出る幕はなく終わってしまいました

しかしながら今になって考えるとDVD-AudioはCDのような操作性で、円盤のメディアでハイレゾが聞けるのですからとても魅力的な方式です。当時のDVD-Audioソフトは高価でかつ音源が元々良くないか、変に加工してしまっていて、とても買う価値はありませんでした。また好みのD/Aコンバーターに接続しようとしてもデジタルアウトが48kHzに制限されていたのでDVD-Audioの意味が有りませんでした。

 

 

 

 

ハイレゾ再生が面倒なときもある

今ではハイレゾが当たり前のように普及していますが、音源がファイル形式でハードディスクに保存されているので、パソコンなどを立ち上げるのは面倒なときもありますし、操作性を求めるならNASなどを構築する必要がありました。

DVD-Audioはハイレゾの時代にこそ使えるソフト

最近、はっと気づいたのですが、DVD-Audioは自分でDVD-Audioソフトを制作すると、サンプリング周波数のリミットは掛からないので、96/192kHzでSPDIF信号を出力できます。手持ちのハイレゾ音源をDVD-Rに焼けばDVDメディアで、まるでCDのような操作性になるのです。DVD-Audioを焼くには専用ソフトが必要で、それがネックかもしれませんが、わたしはDigOnAudio2というDVD-Audio用の制作ソフトをもっているので問題有りません。

DVD-AudioはほとんどのDVDプレーヤーで再生できますが、私は東芝のSD-9500という昔のDVDプレーヤーのハイエンド機を持っているので、これで再生できます。これからハイレゾ音源をDVD-Audioに焼いてちょい聞きのときはこれでハイレゾを再生しようかと考えています。

HDCD再生にもDVD-Audio

もう一つのメリットはHDCD方式のCD(隠しコードで20bitの情報が入ったCD)をHDCDデコーダーを通してPCに保存し、DVD-Audioに焼けばHDCDデコーダーを持たないDVDプレーヤーで20bit(フォーマットは24bit)分の情報量(HDCDフォーマット)で聞けることです。私はReferenceRecordingsHDCD形式のCDが結構好きなので、HDCD形式で聞けるというのは非常にありがたいことなのです。

今はブルーレイオーディオの時代なのでBRオーディオで同じことができるかもしれません。BRオーディオの方は焼き付けるソフトがフリーでたくさん出ているようです。