Un filtre numérique

Membre de l'association Mélaudia, je lis un jour qu'un de mes camarades de jeux audio annonce qu'il a découvert un DAC très correct et pas cher. Un concert de louange suit cette annonce et je me décide rapidement d'en faire l'acquisition car celui que je possède et qui me satisfait tout à fait, ne peut lire les fichiers échantillonnés à plus de 96 KHz. A mon avis, cet échantillonnage est largement suffisant, mais bon, pourquoi souffrir de cette limitation ?

La discussion prend de l'ampleur sur le forum Mélaudia http://forums.melaudia.net/showthread.php?tid=7953&page=1, et le camarade dont je parlais précédemment lui dédit un article sur son site Internet : http://unepassionaudiophile.fr/le-dac-wesiontek-khadas-tone-board/

Ce Dac se présente sous un format type carte de crédit supportant 3 connecteurs RCA et une prise USB. Cette dernière sert pour l'alimentation de la carte et la connexion à un ordinateur. Le connecteur RCA le plus proche est une entrée de type SPDIF et les 2 autres les sorties analogiques droite et gauche du Dac.

Il est équipé d'un chip Sabre SE9038Q2M décliné d'un modèle Pro parmi les plus réputés du moment.

le Dac Wesiontek Khadas Tone Board
le Dac Wesiontek Khadas Tone Board

Le cordon livré avec ce Dac est d'assez belle facture et le raccordement peut donc se faire aisément. A l'écoute, dès les premiers instants on se dit qu'on est en présence d'un composant audio très bon. Mais très rapidement les twouikers passent à l'action et se disent qu'alimenter un tel produit par le 5V disponible sur une prise USB d'ordinateur n'est pas la meilleure chose qui soit.

En examinant les schémas de cet appareil disponibles sur le site du constructeur, on s'aperçoit qu'il est possible de connecter une alimentation 5V directement sur le bus GPIO (la série de 40 petits trous face aux connecteurs RCA) et donc de by-passer la prise USB. En fait, Toute alimentation 5V qui peut fournir au moins 500 mA peut remplir cette fonction qui permet alors d'utiliser la prise coaxiale d'entrée RCA au standard SPDIF et qui permet alors une connexion audio de bien meilleur qualité.
Puisqu'il en est ainsi, je me dis qu'utiliser un chargeur de téléphone, une batterie de secours ou beaucoup plus sophistiqué, une alimentation de type UpTone Regen doit faire l'affaire pour pouvoir utiliser la prise coaxiale SPDIF.
Tous ces modes d'alimentation se sont révélés satisfaisants.

Alimentation USB UPTone audio
Alimentation USB UPTone audio

https://docs.khadas.com/toneboard/UserManual.html

La possibilité d'entrer le signal audio au standard coaxial SPDIF me rappelle qu'un module processeur audio fourni par Minidsp.com possède des entrées et sorties à ce standard. Bon sang, mais c'est bien sûr ! Comment n'y avais-je pas pensé avant alors que des tas de possibilités existent déjà ?

Il s'agit du module Nanodigi disponible en boitier ou sous la forme d'une carte électronique qui possède 2 entrées numériques SPDIF (coaxiale et optique) et 4 sorties elles aussi au standard SPDIF mais uniquement coaxiales ce qui donne donc 8 canaux stéréo analogiques.

Nanodigi front    Nanodigi back
Face avant et arrière du processeur Nanodigi

Les possibilités sont tout à fait enthousiasmantes et parfaitement résumées dans le tableau ci-dessous publié par Minidsp sur leur site :

Schéma synoptique des possibilité de la carte Nanodigi
Schéma synoptique des possibilité de la carte Nanodigi

Il est donc possible d'intervenir sur les niveaux d'entrée (d'effectuer une éventuelle balance entre autre) et de corriger certains défauts mais ce n'est rien en comparaison de ce qu'il est possible de faire sur les sorties. Outre les fonctions de filtrage proprement dit (quasiment tous les filtrages de type IIR sont possibles avec des pentes jusqu'à 48 dB/octave), des égalisations paramétriques en 5 points sur la bande audio et bien sûr le gain, la phase, le réglage des délais entre voies et le niveau de chaque voie.

J'ai eu un doute à un moment sur la synchronisation des voies, doutes rapidement levés car tous les circuits sont basés sur la même horloge et comme le standard des signaux sont les mêmes en entrée et en sortie, il n'y a pas de soucis de synchronisation.

Mon système de lecture est basé sur le SBC Raspberry Pi qui ne possède pas de sortie RCA coaxiale ! Mais il possède une sortie HDMI et j'ai acqui il y a quelque temps un petit module qui extrait du signal HDMI des signaux SPDIF en coaxial et optique.

Audio extractor Delock front    Audio extractor back

Je vais donc pouvoir réaliser quelque chose dans ce genre :

Type 1

Ca fonctionne très bien, mais je sais qu'il existe des interfaces SPDIF pour Raspberry, ce qui serait plus simple !

Type 2

Finalement, l'interface que j'adopterai sera celle-ci :

Interface Teradak 1    Interface Teradak sur Raspberry

Pour la petite histoire, Audiophonics livre cette interface avec un connecteur XLR. Mais comme je veux effectuer une connexion en mode coaxial, il a fallu dessouder la fiche XLR et souder la prise coaxiale visible sur les photos. Dessouder une prise XLR soudée en ROHS est une sacrée partie de plaisir car il faut monter la température du fer à 400° et bien entendu limiter le temps de chauffe pour ne pas décoller les pistes très fine du circuit.

Particularité intéressante, cette interface peut être alimentée soit par le Raspberry (via le bus GPIO), soit par une alimentation extérieure. Sur les photos, on aperçoit (sur la photo à gauche) un connecteur gris permettant la connexion à une source externe. Dans ce cas, il faut déplacer le petit connecteur jaune pour indiquer à la carte que sa source d'alimentation sera externe.

Jumpers de connexion à une aliemantation extérieure
Jumpers de connexion à une alimentation extérieure

Interface SPDIF montée sur Raspberry Pi
Interface SPDIF montée sur Raspberry Pi

L'ensemble monté dans un petit boitier en plastique transparent que je trouve du plus bel effet et qui impressionne les touristes !!!

Il va falloir songer à la mise en boite de l'ensemble de ces circuits et composants, mais il va également falloir prévoir l'alimentation en 5V de ces modules. Comme ils fonctionnent tous sous 5V, je décide d'aller au plus simple et de trouver des modules d'alimentation 5V tout fait, c'est-à-dire, montés et câblés. Je trouve ces modules qui me semblent adaptés à ce que je recherche à savoir un bon filtrage, une capacité en courant suffisante et des régulateurs modernes.

Un petit tour du monde sur le Web et je trouve ça :

Module d'alimentation 5V
Module d'alimentation 5V

Je trouve même le schéma :

Schéma du module d'alimentation
Schéma du module d'alimentation

Ca, c'est fait !
Mais ces modules d'alimentation ne sont pas pourvus de transformateurs d'alimentation. Comme je souhaite obtenir un faible écart entre la tension redressée et le 5V souhaité, j'opte pour des transformateurs de 6V/10VA.

Je réalise un petit circuit imprimé qui supportera les 3 transformateurs :

Les transformateurs d'alimentation
Les transformateurs d'alimentation

Le moment de la mise en boitier arrive et je souhaitais en choisir un d'allure cossue et sympathique !

Sans vouloir leur faire de la pub, il faut reconnaitre que la société Audiophonics propose une gamme de matériel audio très comfortable. J'ai donc trouvé chez eux un coffret répondant à mes attentes.

Boitier face avant    Boitier face arrière
Face avant en alu brossé de 7 mm d'épaisseur - La face arrière est équipée d'un connecteur IEC et d'un porte-fusible.

Je commence par usiner la face arrière en alu de 3 mm et si les perçages relatifs aux DACs Khadas sont assez simples et aisés à réaliser ceux de la carte Nanodigi sont beaucoup plus délicats (pas de la même taille, pas de la même forme, pas à la même hauteur)

face arrière équipée

Pour des raisons de sécurité liées aux opérations de soudures sur les circuits de la carte Nanodigi et des Dacs Khadas, j'ai choisi d'effectuer les connexions entre les sorties SPFIF de la carte Nanodigi et les entrées sur les Dacs en soudant un cable blindé aux pieds des prises SPDIF de la carte Nanodigi et de faire sortir ces câbles en perçant la face arrière et en venant les brancher "normalement" sur la prise RCA des Khadas.
Sur les Dacs Khadas, le câble blindé aurait du être soudé sur 2 petits plots de 1 mm de diamètre affleurant la surface du circuit imprimé. Ca m'a fait un peu peur !

Vue intérieure du filtre
Vue intérieure du filtre

Certains lecteurs peuvent se demander à quoi peut bien servir les 4 vis qu'on aperçoit entre les modules d'alimentation et les Dacs Khadas !
A l'origine du projet, je voulais mettre en série 2 régulateurs pour obtenir d'une part une stabilité des tensions d'alimentations des convertisseurs aussi bonne que possible et de bénéficier des caractéristiques absolument extraordinaires des régulateurs LT3045 qui sont parmi les plus performants à l'heure actuelle en termes de niveau de bruit, de drop-out (c'est-à-dire de la tension nécessaire entre entrée et sortie du régulateur, ici ! 260 mV !) et de stabilité de l'impédance de sortie extrêmement basse quelque soit le courant consommé.

Le régulateur LT3045A
Le régulateur LT3045A, ici en doublon pour un courant plus important (1A)

La taille des doigts donne une idée de celle du circuit.

C'est dans le but que m'affranchir d'une dissipation trop importante des régulateurs (la puissance dissipée est égale au produit de la différence de tension entre entrée et sortie par le courant traversant le régulateur) que j'ai choisi des transformateurs fournissant 6V au secondaire. En réglant la tension de sortie du premier régulateur à 5,7V, je pensais avoir de la marge pour alimenter le deuxième régulateur ce qui ne fut pas le cas car le drop-out de 260 mV annoncé pour le LT3045 est obtenu pour des courants très faible de l'ordre de 100 mA, mais le courant consommé par le Dac est proche de 500 mA. J'avais pourtant une tension de 5V en sortie de ce régulateur, mais le courant n'était pas suffisant et le Dac ne démarrait pas. Je ne pouvais pas monter la tension à la sortie du premier régulateur car j'avais prévu un transfo trop juste en tension ... Bref, j'ai donc décidé de ne pas raccorder ce petit régulateur et ça fonctionne très bien comme ça !

Ce qui n'apparait pas sur la photo ci-dessus est le câble qui permet d'installer la diode de réception infra-rouge en façade pour piloter le logiciel d'application de la carte Nanodigi. Il a fallu que je trouve une combine pour maintenir la diode en place sur la face avant du boitier (petit trou au-dessus du bouton marche-arrêt).

Face avant du boitier
Face avant du boitier

Maintenant, je branche et j'écoute en prenant soin de paramétrer l'application de manière à obtenir un filtrage en Linkwitz-Riley 24 dB/octave à 600 Hz à l'identique de ce que j'avais avant avec mon filtre actif analogique.
Premières remarques, l'ensemble est extrêmement silencieux et même plus silencieux qu'en analogique, j'avoue que je suis surpris. Mais la plus grosse surprise est la propreté et la transparence du système. Je ne sais pas si c'est le fait du filtrage effectué en numérique qui est la cause de ce que j'entends, mais c'est très sympathique.

Je vais donc pouvoir passer à l'écoute en corrigeant le délai entre le grave et le medium qui est précisément la raison pour laquelle j'ai réalisé ce filtre.

L'application développée par Minidsp est très bien faite et facile à utiliser.

La première chose à faire est la sélection de la source car on peut accéder au système en SPDIF coaxial ou optique. Cette sélection est également accessible via la télécommande. Le réglage des niveaux permet de régler une balance gauche-droite éventuelle. On peut aussi activer un paramétrage d'égalisation et mettre les voies off (Mute). En cliquant sur "Monitor" un panneau lumineux s'active en fonction du niveau présent sur la source. Le niveau de sortie global est réglable depuis la télécommande.

Sélection des entrées    niveaux d'entrée
Sélection des entrées


Sélection des entrées et affectation des sorties
Sélection des entrées et affectation des sorties

L'image parle d'elle même.
Il est possible d'enregistrer 4 configurations de filtrage, ce qui est très intéressant pour comparer divers effets, par exemple, 2 types de filtrage ou 2 corrections de délai. Ces 4 configurations sont sélectionnables et activables depuis la télécommande.

Paramètrage
Paramètrage

Les sorties 1 & 2 sont affectées respectivement à la voie gauche medium-aigu et grave et les sorties 7 & 8 pour la voie droite.
Compte-tenu du rendement de la compression TAD 4001, j'ai réduit le niveau de sortie de 15 dB. Cette valeur a été obtenue à la suite d'une mesure et à l'oreille. L'équilibre entre voie haute et basse est assez délicat à régler !
La sortie 2 affectée à la voie grave intègre un délai de 1 mS (344 mm) pour compenser l'écart existant entre les membranes de la compression et celle du grave.

Le réglage des fréquences de coupure et le choix du type de filtre est un jeu d'enfant et j'ai fait beaucoup d'essai en partant du Linkwitz-Riley 24 dB/octave à 600 Hz pour finalement retenir Le Butterworth 6/dB/octave à 700 Hz qui me semble être le plus transparent à l'écoute.

Choix du type de filtre et de la fréquence de coupure
Choix du type de filtre et de la fréquence de coupure

Ayant fait quelques mesures, je constate une chute de niveau significative à partir de 5 KHz.
Je décide donc d'y remédier en activant un filtrage de type High Self avec un coefficient faible qui procure un accroissement de niveau du type de ce qui existait jadis sur les amplificateurs connu sous le nom de correcteur Baxandall.

Correction du niveau des hautes-fréquences
Correction du niveau des hautes-fréquences Quelques mesures et réglages plus tard :         

Bande passante du système
Bande passante du système

Je suis plutôt satisfait du résultat. Je vois un plateau entre 375 Hz et 725 Hz qui devrait pouvoir être raboté en décalant la fréquence de coupure actuellement à 700 Hz, à 400 Hz pour le grave et 800 Hz pour le medium-aigu

Réponse impulsionnelle
Réponse impulsionnelle

A la vue de cette impulsion, je devine que le délai pourrait être très légèrement adapté car le grave semble encore un peu avance sur le medium. Ca doit être l'affaire de quelques centimètres. Par contre le calage du tweeter par rapport à la compression à révélé qu'il fallait que j'inverse la phase du tweeter et que j'avance ce dernier de quelques cm revenant à aligner les cerclages en alu présents sur ces 2 haut-parleurs.  

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