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Cayin R01開発秘話
N6ii Titanium R2R Limited Edition及びR01オーディオマザーボードの開発秘話
昨年、N6iiの5番目のオーディオマザーボード「A02」が発売された後、ユーザーの間では「N6ii用の新しいオーディオ用マザーボードはもう発売されないのか」という声が絶えませんでした。 不確定要素や企業秘密が多く、直接お答えすることが出来なかったことをご容赦下さい。 そして、意識的・無意識的だったかは分かりませんが、感傷的な言葉の中で、「これでN6iiのオーディオ用マザーボードは終わりだ」と思った方も多いのではないでしょうか。
N6iiは2年前に発売されたもので、時代遅れというわけではありませんが（オーディオプレーヤーとしての観点では、N6iiのシステムプラットフォームはまだ十分に通用します。 しかし、ユーザーの立場からすると、最近は最新製品にキャッチアップすることが当たり前になっています。 これは、ポータブルプレーヤーが、デジタルコンシューマー製品とHi-Fiオーディオ製品の間に位置するというユニークな製品によるものです。 そのため、N6iiのオーディオ用マザーボードがいつまでも続くとは思えません。
“音のこだわり、新しい領域、無限の可能性！” これは単なるキャッチフレーズではなく、デザインコンセプトであり、CayinがこのN6iiのオーディオマザーボードのデザインに与えた独自の使命と製品の延長線上にあるものです。 そこで、N6iiの2周年（2019年5月20日正式発売）に向けて、CayinはN6iiの6番目にして最後のオーディオ用マザーボード「R01」とともに、「N6ii Titanium R2R Limited Edition」をお届けします。
この記事の残りの部分は、製品そのものについての説明であり、非常に技術的すぎるかもしれませんので、興味のある方は詳しく読んでいただき、そうでない方は読み飛ばしていただいて構いません。
【N6ii Titanium R2R Limited Edition】
名前からもわかるように、このバージョンのN6iiは、世界で600台の限定販売となります。 ケースはチタン合金製で、耐酸化性や耐腐食性に優れ、より繊細な表面の質感を持っています。最初は明るい銀色ですが、使用や摩擦が増えると、表面の色は明るい金色の質感になります。 ボリュームノブとサイドボタンには、真鍮素材にリアルゴールドPVD加工を施したものを使用しています。
主な制御システムのプラットフォーム、画面、バッテリーなどの関連は、通常のアルミニウム製のN6iiと同じですので、ここでは説明しません。
Titanium Edition N6iiのオーディオ・マザーボードは、すでにN6ii用にリストアップされているオーディオ・マザーボードとは異なり、新しいデザイン、新しいチャレンジ、新しいプレゼンテーションを行っています。 また、「Titanium Edition N6ii」のオーディオ用マザーボードはこれだけです。 (もちろん、E01やE02などの他のオーディオ用マザーボードをTitanium Editionに挿して使わなければならないユーザーがいれば、それらは完全に互換性があり、正常に動作しますが、外観は調和していません)。
これまで、N6iiのオーディオ用マザーボードがそれぞれ異なるDACチップを使用して設計されていたにもかかわらず、CayinはDACチップについて特別多くの宣伝をすることはありませんでした。 それは、あくまでもオーディオデザインにおける一部であって、デザイン全体ではないからです。 しかし、今回は、ディスクリートのR-2R抵抗ネットワーク・アーキテクチャーを採用したこの新しいオーディオ・マザーボードのDACデザインと全体構造に多くのスペースを割いています。
デジタルオーディオ処理の基本アーキテクチャの説明
本機のデジタルオーディオ処理は、理解しやすいように、フレームワークと機能性の観点から、以下のように4つのパートに分けています。
- 1.デジタルオーディオブリッジシステム
- 2.オーバーサンプリング補完型デジタルフィルター
- 3.シリアル・パラレル・シフト・レジスタ
- 4.ディスクリートR-2Rラダー構造DAC回路
その動作原理と機能的な役割を簡単に説明すると以下のようになります。
1のデジタルオーディオブリッジは、フロントエンドからのデジタルオーディオ信号を、PCMやDSDなどのオーディオフォーマットやサンプルレートに関わらず、高精度なデジタル処理を施した後、オーバーサンプリング補間デジタルフィルターに出力する役割を担っています。
2のオーバーサンプリング補間デジタルフィルターは、デジタルオーディオブリッジから出力されるオーディオ信号に対して4倍のオーバーサンプリングフィルターを行い、左右のチャンネルが独立して最大768kHz/24bitのシリアルオーディオデータを得ることができます。
3のシリアル・パラレル・シフトレジスタは比較的理解しやすく、デジタルからアナログ変換のためのR-2R抵抗ネットワークに、シリアルデータ転送方式をパラレルデータ転送方式にしたものです。
前の段落では、R-2Rの基本動作について説明しました。 ここでは、Over SamplingとNone Over Sampling（オーバーサンプリング、オーバーサンプリングとノンオーバーサンプリング、ノーオーバーサンプリングなどの名称もありますが、すべて同じ意味です）について簡単に説明します。オーバーサンプリングの核となるのはアップサンプリングで、元の基本周波数を補間によって増倍して得るものです。この方法の利点は、多重オーバーサンプリング処理によって量子化ノイズのスペクトル分布が変化し、ノイズの大部分が音声帯域から離れた高い周波数領域にシフトするため、ローパスフィルター（LPF）でノイズがフィルタリングされやすくなる一方で、音声帯域内のノイズが効果的に低減され、システムのS/N比が向上することです。 これに加えて、高周波信号の減衰の最適化、アナログローパスフィルター（LPF）の設計要件の軽減なども含まれています。
同時に、オーバーサンプリング(OS)は基本的に現在のすべてのオーディオDACの処理方法でもあります。 例えば、Cayin製品に搭載されているデジタルフィルターは何のためにあるのか、という質問を多くのユーザーから受けますが、その役割は実は上記の通りで、デジタルフィルターによって補間の方法が異なるだけです。 これらはすべてDACチップ自体の設定によるものです。
ノンオーバーサンプリング(NOS)はその名の通り、原信号に一切の処理を行わず、フロントエンドのオーディオ信号のオリジナルのサンプルレートを確保し、聴感上のオリジナリティを可能な限り追求しています。 ここではOSとNOSのどちらが良いか悪いかということについて話をするつもりはなく、どちらにしても設計上の検討事項であり、トレードオフの関係にあります。 トレードオフの核となるのは、ユーザーのニーズとアプリケーション環境です。
上記の説明からわかるように、「N6ii Titanium Edition」はOSアーキテクチャで作られています。 実際、Cayinの技術陣は、開発当初のアーキテクチャーではNOSの設計手法を採用し、初期のテストではデジタルオーディオブリッジも排除して、デジタル信号をN6iiのFPGAで出力してテストを行っていました（開発途中でフロントエンドの出力を24bitビットのディープPCMに統一してテストを行った）。 そして、デジタルミュージックプレーヤーがマルチフォーマット、マルチサンプルレートのソースに対応している場合、特に高感度ヘッドホンを装着した場合、NOSデザインは現在の外出先でのヘッドホンアプリケーション市場のニーズに多かれ少なかれ適合しないことがわかりました。 オーバーサンプリング方式は、デジタルオーディオ信号のための処理ですが、ノイズを効果的に除去する点でははるかに優れています。 また、Cayinは長年にわたり、特に当時のN5世代のDAPの導入により、ポータブルオーディオ市場におけるユーザーのニーズや痛みをかなり意識するようになりました。 だからこそ、R01は最終的にNOSの手法を捨て、OSを採用したのです。
次に、「R-2R」の核となる回路構成について説明します。 デジタルオーディオブリッジ、オーバーサンプリング補間デジタルフィルター、シリアル-パラレルシフトレジスタなどは、デジタルオーディオ信号の前処理であり、R-2Rは実際にデジタル-アナログ変換、つまり通常の意味でのDA変換を行う部分です。
T字型抵抗ネットワークの基本構成の一例として、4bitのR-2R構造図をご紹介します。
R-2R抵抗ネットワークは、抵抗比が1：2の2つの抵抗（R抵抗、2R抵抗と呼ぶ）で構成されています。 nビットの回路では、n-1個のR抵抗とn+1個の2R抵抗が必要となり、合計2n個の抵抗がR-2R抵抗ネットワークを形成します。 つまり、上図の4ビットのR-2R抵抗ネットワークは、4-1=3個のR抵抗と3+2=5個の2R抵抗を持っています（4ビットでは合計8個の抵抗、5ビットでは10個の抵抗、24ビットでは48個の抵抗という具合です）。
R2R製品の中には、抵抗器の数が上記の数をはるかに超えているものがあることに気づくかもしれませんが、実際には、必要な抵抗値を得るために、抵抗値の異なるRと2Rの抵抗器を直列に接続し、両者の抵抗値の比率が厳密に1：2の関係になるようにしています。 つまり、抵抗器の数が基本ではなく、Rと2Rを構成するペアリングの関係が基本なのです。
R-2Rは、実はとても歴史のあるデジタルオーディオ技術です。 ディスクリートのR-2R回路構造は、高集積のオーディオDACチップが大量に採用される前のデスクトップシステムで広く使用されていました。 現在でも、このような回路構成を採用しているレガシー機器は数多くあります（ハイエンドグレードの製品など） 。
R2Rの根底にあるのは、設計者が「音の調整」を最優先し、最終的な音を調整することです。これは、集積回路のDACチップを使うのとは（集積チップのアーキテクチャも含めて）根本的に違います。 簡単に言えば、DACチップは高度に統合されているため、開発者が調整できるスペースが限られています。一般的には、部品の選択性や動作電圧の変更など、一部の周辺回路）このような設計の製品は、より高い一貫性と安定性を持っています。このような設計の製品は、一貫性と安定性が高く、特に音の調整などの研究開発の手間が比較的少なくて済みます。
ディスクリートのR-2Rでは、素材の選定やデザインのチューニングなど、より多くの要求があります。 例えば、1.5Kと3K、3Kと6KといったR値の異なる抵抗器のペア（数値はあくまでも例）では、音の出方や仕様が異なります。 設計者にとっては、サウンドチューニングや調整の手間が大幅に増えることになります。しかし、その分、音の細部を探求し、調整する余地が大きくなります。
長年の経験から、愛好家の中には製品の技術的な構成や設計原理を研究するアカデミックな人もいれば、製品そのものの使用感や自分の主観から出発するアプリケーション・マニアもいることがわかりました。 その内容はともかく、Cayinにとっては、製品のプロモーションとして、ユーザーに製品をより明確に理解してもらい、自分で判断・選択してもらうためのものです。 上記の内容は、あまりにも硬くてわかりにくいかもしれませんが、基本設計の構成やデザイン思考におけるトレードオフをわかりやすい言葉で整理することに全力を尽くしたとしか言えません。
次のセクションでは、Cayinが上記のデザインをN6iiにどのように実装したかを中心に説明します。
N6ii Titanium EditionのR2Rおよび関連デザイン
N6iiでは、オーディオマザーボードを交換できるように設計されているため、構造、携帯性、サイズなど多くの要件を考慮すると、オーディオマザーボードに割り当てられる基板面積は非常に限られています。これは過去のいくつかのオーディオ用マザーボード関して説明した際もお伝えしています。究極の機能に集中するためには、他の機能を捨てなければなりません。パーソナル化はHIFI製品のテーマです。N6ii Titanium Editionもそのような考えのもとに開発された製品であり、R-2R設計のアーキテクチャを採用しているため、R-2Rを実現するためのディスクリート部品を使用した小さなスペースでは、PCBレイアウトや材料の選択など、開発の難易度が高くなっています。
N6ii Titanium EditionのR-2Rは、24ビットのデュアルチャンネル回路構成で、R抵抗23個、2R抵抗25個の合計96個のR-2R抵抗が両チャンネルに配置されています。抵抗値は2種類しかなく、Rは5.1Kという標準的な抵抗値、2Rは10.2Kという非標準的な抵抗値である（抵抗値の決定方法については、本編の長さの都合上、詳しく説明することが出来ません。常にペアの抵抗値を入れ替えて、テストを繰り返し、主観的に聴き取る以外に方法はありません）。 10.2Kの抵抗値を実現するには、実は、5.1Kの抵抗器を2つ直列に使ったり、10K＋200Ωを直列に使ったりと、いくつかの方法があります。しかし、これには2つの問題があります。1つ目の問題は、オーディオのマザーボード上の比較的限られたPCBスペースであり、2つ目の問題は、R-2R自体のマッチング精度があります。
上の写真は、N6ii TitaniumバージョンでR-2R抵抗ネットワークに使用されている抵抗器とそのパラメータです。 各オーディオ用マザーボードには、合計96個の高価な超高精度低温ドリフトフィルム抵抗（チャンネルごとに48個の抵抗器、23個のR抵抗器と25個の2R抵抗器）が使用されています。これらの抵抗器は、台湾のViKing社にCayinが発注したもので、当初の8週間のリードタイムが世界情勢等の事情により2倍になり、予定していた2021年第1四半期の発売が結局、今に至るまで実現できませんでした。 しかし、ここではViKing社に感謝の気持ちを伝えたいと思います。 COVIDの影響を受けて、世界中のあらゆる川上の電子機器メーカーが、生産能力の不足、圧倒的な規模のバックオーダー、リードタイムの延長を経験しています。 このような状況の中で、ほんの一握りに過ぎない我々の規格外の注文が、それでも履行され、届けられていることに感謝しています。
この超高精度低温ドリフトフィルム抵抗器は非常に高価で、2つのサイズの抵抗器をそれぞれ5KPCSずつ、合計10KPCSを発注しました。理論的には完成品の最大数は1000PCSですが、SMT生産の特性上、部品を飛ばさないわけにはいかず、最終的な完成品の数が950以上になると非常に良い結果になると推測しています。
R2Rは、抵抗ネットワークのマッチング精度が非常に高く、DAC部の非線形誤差を左右し、それらが最終的に音の方向性に影響を与えます。 重要なパラメータは2つあります。
1つ目は、抵抗器の精度。R2R抵抗ネットワークの抵抗の精度のために使用する0.01％という数字は、マッチングの最も基本的な数字の1万分の1になります。ペアリングした抵抗器のエラー自体が比較的低いレベルになります。これが抵抗のペアリングを得るために標準的な抵抗を使用したくない理由です。またカスタムメイドの抵抗を使用する理由として直列接続後に、エラーの精度が増幅されるからと言えるでしょう。
2つ目は、抵抗の温度係数（TCR）、つまり温度ドリフトの話になります。 TCRの単位はppm/℃で、上図のTCR10はこのパラメータの記述であり、つまり温度が1度変化するごとに抵抗値が10ppm以内で変化することを意味します。
オーディオアンプ製品は、通常の動作でも消費電力が存在するため、程度の差こそあれ発熱現象が発生します。 一方で、ユーザーの環境が異なるため、作業時間の温度には非常に大きな個人差が生じます。 したがって、TCR値が低いほど、さまざまなシナリオ下でのマッチング精度と作業プロセスの相対的な安定性を確保することができます。
R-2R回路は電源への負荷が非常に大きく、電源の性能もR-2R DACの非線形誤差やノイズに影響する重要な要素です。 LDOリニアレギュレーターは、優れた電流駆動能力、優れた過渡応答性能、高い電源除去率（PSRR）と低ノイズ特性を持ち、変化の激しいオーディオ信号を処理するR-2R DACの高精度を保証する上で重要な役割を果たしています。
アナログオーディオ部の設計については、本稿の長さに制限があるのであまり触れませんが、パワーアンプ部については、特殊な接続方法でヘッドフォンチップを2個ずつチャンネルごとに並列接続することで、電流駆動能力と耐負荷性能を大幅に向上させています。 これは、Cayinの製品設計のポイントの一つでもあります。
ポータブルプレーヤーの市場では、製品の優秀性を示すスペックや指標が用いられることは一般的な現象であり、多くのユーザーはこれらの点を最初に考慮して選択します。 これは事実ですが、R-2Rのようなデザインの製品にはあまり適していません。 R-2Rの指標や固定周波数信号のアプローチで得られる結論を、単純な数字で特徴づけることは難しく、特にNOSのアプローチを採用している製品には当てはまりません。 聴きやすさとは、数字や指標を積み重ねることではありません。デザインとハードウェアコンポーネントについては以上ですが、これは、今までの新製品に関するご紹介の中でも最も長いものになるでしょう。 最初から最後まで内容をしっかり見ていただいた方はほとんどいらっしゃらないのではないかと思っています。 でも大丈夫です。基本的な原理の一部だけでも分かれば、製品の本質がよりはっきりと見えてくるはずです。
N6ii Titanium Editionと同時に、N6iiの既存ユーザー向けに新しいオーディオ用マザーボード「R01」を用意しました。 中身は基本的に同じ素材、同じデザイン。でも、違いはケースの素材だけではなく、ケース素材の金属特性が変わっていること(チタンの方が導電性や非磁性に優れ、電磁シールド性が高い)に伴い、筐体が異なる2つのオーディオ用マザーボードのEMC対策を若干微調整しました。 それ以外は全く同じです。 音については、チタンバージョンとスタンダードバージョンの違いは具体的に何でしょうか？ どちらがより自分の好みに適しているかは、オーディオファンの皆さんがご自身で聞いてみるのが一番です。 昔から言われていることですが、Hi-Fi製品を評価する基準は自分の耳だけです。
現在、R2R技術のポータブル製品への利用は徐々に展開されていますが、技術が古いからといって困難がないわけではなく、R2Rアーキテクチャをポータブル製品に利用する際の技術的な困難や検証プロセスは、デスクトップシステムに比べて複雑で面倒なものです。 しかし、R2Rアーキテクチャーを採用したオーディオ製品には、自然で卓越したリスニングアドバンテージやゆるやかで自然なリズム感があるため、Hi-Fiメーカーが今でも喜んでR-2Rを採用する一つの理由ではないでしょうか。現代の高集積DACチップの大量使用でそれらの存在感は薄れつつありますが、かつての1980年代、1990年代の古い香港や台湾、日本の曲と現在のポピュラーソングのスタイルには変化がありますが、古きものにも常に味わいが漂っています。様々なカバーが登場し、現代の文化的な刷り込みやその時代の音楽的な特徴が加わって、独特の味わいがあります。こういったことがR2Rアーキテクチャにも言えるでしょう。
N6ii TitaniumとR01は、スペースの関係でラインアウト機能を落とし、シングルエンドとバランス出力に対応したフォンアウト機能のみを搭載しています。これまでに発売されたN6iiオーディオマザーボード（A02は含まれません）と比較して、N6ii TitaniumとR01は、レイヤー、サウンドステージ、エクステンションなど様々な面で自然な表現ができるのが特徴です。 薪と釜で炊いたご飯と家の炊飯器で炊いたご飯のように同じ米でも味が違います。
それぞれの良さがあり、すべては個人の好みによります。
だからこそ、CayinはN6iiの最後のオーディオ用マザーボードに搭載されているR-2Rアーキテクチャの設計を出発点として、異なるR01でN6iiをハッピーエンドにしたかったのです。
材料調達の制約や様々な事情により、今回の材料から生産できる理論上の最大生産量は1000PCSとなっています（なお、抵抗器のカスタマイズや納品の鍵となるR01の数量を増やすべく努力していきます）。つい先だって5月15日から16日にかけて成都で開催されたイベントでは、「N6ii Titanium R2R Limited Edition」と「R01」の通常版が正式にデビューしました。また、5月末に広州のオリエンタルホテルで開催される「広州国際HiFi Show」にも参加・展示しますので、条件が合えばぜひご来場いただき、実際にお試しください。
現在の生産を考慮しますと、N6ii Titanium R2R Limited EditionとR01標準オーディオマザーボードは、6月中旬頃に同時に発売される予定です。具体的な発売日については、Cayinまたは正規代理店の公式発表をご参照ください（日本での正式な発売日や価格は改めて後日お知らせ致します）。
International retail price of R01 standard audio motherboard will be USD 619.00.
International retail price of N6ii Titanium R2R Limited Edition will be USD 1899.00.
N6ii Titanium R2R Limited Editionは世界で600個の限定販売となります。なおR01オーディオマザーボードの生産数量はまだ未定です（ただし既に代理店間の争奪戦は始まっており、期待できるほど多くはありません）。
”N6ii”は”6番目”のオーディオマザーボードで終焉を迎えます。6番目のオーディオマザーボードである「R01」は、「N6ii」の最後のオーディオ・マザーボードとなります。N6iiは、CayinのDAPの中で最も成功したDAPであり、成功裏に幕を閉じることになります。そう思うと、急に寂しさがこみ上げてきます。 しかし、終わりは常に始まりに過ぎません。2021年には、新しいデザイン、新しい機能、そして個性をユーザーの皆様にご提示できるように最善を尽くします。
Cayin, Never be the Same Again!
