USB-isolatorer og -filtre til DAC

Hvor kommer støjen på en USB-forbindelse fra?

En computer er et elektrisk uroligt miljø. Dens switch-mode-strømforsyning, processor, grafikkort og blæsere skaber højfrekvente forstyrrelser, som samles under forkortelserne EMI og RFI (elektromagnetisk interferens og radiofrekvensinterferens). USB-porten er ikke beskyttet mod dette: 5 V-forsyningslinjen kommer direkte fra bundkortet, og computerens stel er forbundet med DAC’ens stel via kablets afskærmning og stelledning.

Selve musikdataene når frem intakte. En fil, der afspilles via USB, når konverteren bit for bit, og problemet skyldes ikke en transmissionsfejl. Det skyldes den støjstrøm, som følger med dataene og til sidst når DAC’ens analoge trin, den mest følsomme del af kæden, som skaber det signal, du hører.

Symptomerne er lette at genkende: konstant sus i hovedtelefonerne, knitren, der ændrer karakter, når man bevæger musen, eller en harddisk arbejder, og en dyb brummen, der forsvinder, så snart USB-kablet trækkes ud. På højttalere med høj følsomhed eller følsomme hovedtelefoner bliver disse lyde hurtigt generende.

Jordsløjfen, årsagen til brum ved 50 Hz

Den dybe, konstante brummen har næsten altid samme årsag. Når computeren og forstærkeren begge er jordforbundet via deres netstik og desuden er forbundet med hinanden via USB-kablets stel, danner de en lukket sløjfe. En svag strøm løber derefter gennem denne sløjfe ved netfrekvensen, 50 Hz i Europa, og lægger sig oven i lydsignalet. Det sker ofte med en stationær PC, der er tilsluttet en anden stikdåse end hi-fi-anlægget.

At skifte kabel eller stikkontakt giver nogle gange et resultat, men den varige løsning er at afbryde den elektriske forbindelse mellem kilden og DAC’en, samtidig med at dataene fortsat kan passere.

Galvanisk isolation, en elektrisk barriere mellem kilde og DAC

Det er princippet bag en USB-isolator. Galvanisk isolation fjerner enhver direkte leder mellem apparatets indgang og udgang: dataene krydser barrieren via magnetisk, kapacitiv eller optisk kobling, uden at nogen strøm kan løbe fra den ene side til den anden. Strømforsyningen behandles på samme måde, via en isoleret konverter eller en strømforsyning, der er dedikeret til isolatoren.

Når barrieren er på plads, er jordsløjfen brudt, og støjen fra computeren bliver på computerens side. Databladene angiver ofte en isolationsspænding i kilovolt. Denne værdi beskriver barrierens modstandsdygtighed over for en potentialforskel, en nyttig sikkerhedsoplysning, men den siger intet om lydkvaliteten.

Filtre, regeneratorer og separate strømforsyninger

Ikke alt tilbehør i denne kategori fungerer på samme måde, og effektiviteten afhænger af den fejl, der skal afhjælpes.

Et USB-filter uden isolation virker på 5 V-forsyningslinjen og på højfrekvent støj ved hjælp af kondensatorer, spoler og ferritter. Det reducerer sus og knitren fra kildens strømforsyning uden at bryde en jordsløjfe. Det er den enkleste løsning, når støjen ikke skyldes jordforbindelsen.

En regenerator genskaber USB-signalet ud fra sin egen clock, en indbygget præcisionsoscillator. Den genskaber skarpe signalflanker og reducerer jitter, det vil sige små uregelmæssigheder i transmissionens timing. De fleste moderne USB-DAC’er arbejder asynkront og styrer konverteringen med deres egen clock, så en regenerators bidrag handler især om den elektriske renhed af det signal, DAC’en modtager. Mange modeller kombinerer regenerering og galvanisk isolation.

Den separate strømforsyning erstatter computerens støjfyldte 5 V med en renere kilde: en ekstern lineær strømforsyning, en reguleret strømforsyning med lav støj eller et indbygget batteri, som afbryder enhver forbindelse til elnettet under lytningen. Nogle apparater tilbyder også en indstilling, der helt fjerner 5 V, når DAC’en har sin egen strømforsyning, en jordtilslutningsklemme til håndtering af anlæggets stel eller et kredsløb til aktiv støjreduktion, som genererer et inverteret signal for at ophæve støjen.

USB-hastighed og tilslutninger: det skal du kontrollere

Kompatibilitet med datahastigheden er det kriterium, man oftest glemmer. Nogle enkle isolatorer fungerer kun med USB Full Speed ved 12 Mbit/s. Denne hastighed begrænser afspilningen til opløsninger på omkring 24 bit og 96 kHz, udelukker DSD og høje samplingsfrekvenser, og mange DAC’er, der er konfigureret til USB Audio Class 2, bliver ganske enkelt ikke genkendt. For at udnytte alle din DAC’s opløsninger skal isolatoren understøtte USB High Speed ved 480 Mbit/s eller endda USB 3.0 til visse nyere interfaces.

Tilslutningerne er også vigtige: USB-A, USB-B eller USB-C afhængigt af portene på kilden og DAC’en, og nogle gange medfølger en adapter eller et kort kabel. Hvis din DAC eller hovedtelefonforstærker får strøm fra USB-bussen, skal du kontrollere den tilgængelige udgangsstrøm fra isolatoren, angivet i milliampere: et strømkrævende apparat, der forsynes af en underdimensioneret isolator, kan miste forbindelsen eller fungere ustabilt.

Find årsagen før køb, og placér derefter isolatoren korrekt

Et par enkle forsøg kan hjælpe med valget. Hvis støjen forsvinder, når en bærbar computer kører på batteri med opladeren frakoblet, skyldes problemet kildens netstrømforsyning, og en galvanisk isolator eller en separat strømforsyning vil løse det. Hvis en dyb brummen ophører, så snart USB-kablet trækkes ud, er der tale om en jordsløjfe, som kræver galvanisk isolation. Knitren, der følger computerens aktivitet uden baggrundsbrum, kræver snarere filtrering.

Isolatoren placeres mellem kilden og DAC’en, så tæt på DAC’en som muligt, med et kort kabel på udgangen for at begrænse de forstyrrelser, der opfanges efter behandlingen. Gevinsten varierer efter anlægget: en stationær PC placeret ved siden af anlægget har tydelig gavn af den, en dedikeret netværksafspiller, der allerede er støjfri, lidt mindre, og en DAC i high-end-klassen med indbygget USB-isolation giver kun lidt plads til forbedring. Det er værd at vide, før man investerer.

Hørbare effekter og begrænsninger

Når brum eller knitren forsvinder, er forskellen umiskendelig. På et anlæg, der allerede er støjfrit, er virkningerne mere diskrete: en mere sort lydbaggrund, toneafslutninger og efterklang, der klinger mere naturligt ud, og mindre resterende sus i hovedtelefonerne. En isolator forvandler ikke en DAC, men giver den mulighed for at arbejde under bedre elektriske forhold.