高端HIFI发烧音频DAC解码芯片排名
音频“解码器”中最核心、重要的器件,无非就是“解码”(DAC,数模转换)芯片了,大家常常很关注音频DAC芯片的选用,也热衷于对其优劣的讨论。
本文尝试对当前最优秀的高端音频DAC芯片的结构、技术和性能等做简单介绍,作一个排名,以供大家参考。
尽管如此,任何一个优质的音频DAC芯片(无关排名),都有可能被用来实现整机的好声音。想必,我们要客观地认识DAC芯片的重要性,更要客观地认识芯片的整机配合的重要性。所以,本文并不提倡唯“芯”主义 。
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音频DAC芯片的类型
1970年代,开始有了单片集成电路(IC)的DAC,就算是开启了DAC的芯片时代。而最早的DAC芯片是从使用加权电阻的结构,双极晶体管的工艺(处理)技术开始的。
1975年的8位DAC芯片DAC08,摘自 《The Data Conversion Handbook》, ANALOG DEVICES, 2005
1)分压式
在音频应用,传统的技术是使用分压式结构的(R-2R是分压式的一个特例),多位(并行输入)的PCM(脉冲编码调制)数据格式,为了改善精度和提高速度,降低功耗,工艺逐步采用互补双极集体管、薄膜电阻加激光矫正和现在的CMOS电路等。这类芯片中,著名的有如Burr-Brown公司(2000年被Texas Instruments收购)R-2R结构的几款芯片:
PCM63:支持20位/96kHz的PCM音频信号,动态范围108dB;
PCM1702:1995年推出,20位,动态范围110dB;
PCM1704:1999年推出,24位,动态范围112dB。
这些芯片都采用了一些特别手段来改善性能,如使用“符号量级(sign-magnitude)”架构在零位附近采用小的级差、互补的两套DAC电路来产生绝对的电流,激光矫正的电阻等措施,来减少过零失真和差分误差。
R-2R DAC芯片PCM1704,摘自《PCM1704 24-Bit, Datasheet》,Burr-Brown Corporation, February, 1999
Philips半导体公司(2006年与Motorola半导体合并成立成为NXP半导体公司)还推出了的数字流(串行输入)的DAC芯片如:
TDA1541/TDA1541A:16位,推出时间分别为1985年和1991年,信噪比95dB和110dB,使用10位+6位的分压器,其中低位6位使用3个2位进行轮换,实现动态元件适配(DEM)功能,来降低失真,TDA1541A按差分线性误差从高到低还分为/N2/R1、/N2和/N2/S1的级别;
TDA1547:1991年推出,1位(支持20位PCM信号),信噪比113dB,动态范围108dB,需与SAA7350数字流电路配合使用。分离芯片的布局和独立声道设计,有很好的声道分离度(115dB),通过切换电容分压网络来进行数模转换,很适合当时的高端CD机等设备使用。
数字流DAC芯片TDA1547框图,摘自《 TDA1547 Datasheet》 Philips Semiconductors, September 1991
2)Sigma-Delta
性能更好(动态范围更大、噪声和失真更小)、数量更多的是,使用多位Sigma-Delta调制器的,音频DAC芯片。有名的有如:
美国Analog Devices(AD)公司的AD1955;美国Cirrus Logic(CL)公司的CS43xx系列,英国Wolfson半导体公司(2014年被Cirrus Logic收购)的WM87xx系列,美国Texas Instruments(TI)公司的PCM179x和DSD179x系列,美国ESS公司的SABRE SOUND技术品牌下的ES90xx和ES90xxPRO系列,日本Asahi Kasei Microdevices(AKM)公司,2007年的全球第一款32位的AK4397,和之后VELVET SOUND技术品牌下的AK44xx系列,等等。
当下,ESS、AKM、Cirrus Logic、Texas Instrument等公司是目前高端音频DAC芯片的主要供应厂商。
3)FPGA/CPLD
随着芯片技术的进步,实现DAC功能的方法也有更多的选择,FPGA(现场可编程门阵列)或CPLD(复杂可编程逻辑器件)可以用来按设计人的需要来实现DAC的功能。这类器件的厂商主要是美国的Xilinx和Intel(被收购的Altera)公司。
主流芯片
由于技术的局限,R-2R DAC芯片在性能上再提高有很大的困难,FPGA或CPLD来实现DAC技术细节不统一,而采用Sigma-Delta技术的芯片,由于动态范围大、噪声低、CMOS电路成本低且容易在片上增加其它处理功能等优势,是目前音频市场也是高端音频市场的主流芯片。
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芯片构成
音频DAC芯片的构成主要有以下几种形态:
1)基本DAC
音频DAC芯片最基本的功能部件,是一个多路转换器接收各种格式的音频信号(DSD或PCM)、过采样和数字滤波器、调制器和数模转换输出等。AKM公司的AK4499、AK4497和Texas Instruments公司DSD1794等芯片就是采用这样的构成的,如下图所示:
基本DAC芯片构成
这样的芯片需要和外部的数字音频接收芯片配合使用,才能接收如SPDIF(索尼飞利浦数字接口或索尼飞利浦数字互联格式)/AES(美国音响工程协会)/EBU(欧洲广播联盟)等标准下的串行音频数据。Cirrus Logic公司的CS8416就是一款典型的数字音频接收芯片。
数字音频接收芯片CS8416框图,摘自《CS8416 Datasheet》,Cirrus Logic, Inc. AUGUST '07.
2)带数字音频接收器
有的芯片会把数字音频接收器集成到同一个DAC芯片中,如ESS的ES9038PRO、ES9028PRO等,集成了一个SPDIF功能块。这样,采用更高程度SoC(片上解决方案)设计思路带来的好处,不仅可以减少芯片数量、减少电路板的占用面积、减少外部干扰、减少耗电等,更重要的是,可以更方便地进行数据处理,来实现一些技术手段。
带SPDIF接收器的DAC芯片
SPDIF数字音频接收器设置比较
3)独立调制和独立数模转换
芯片如目前尚未上市的AKM的AK4191,是一个独立的64位调制器,支持DSD1024和高达1536kHz采样频率的PCM信号,与AK4498独立数模转换芯片组合使用,可以实现高密度的音频播放。
4)片上解决方案(SoC)
芯片如Cirrus Logic公司的CS43131、CS43198等,在基本DAC功能块后,附带了模拟滤波器,可以直接输出模拟信号;如ESS公司的ES9219、ES9080,AKM的AK4377A等,附带功率较大的模拟放大器,可直接接入耳机;再如ESS的ES9038Q2M等,采用低功耗设计。SoC设计简化整机组成和材料,体积减小,降低成本。这些芯片是以应用为导向的,比如面向移动电话或移动设备使用等。
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技术手段
目前高端音频DAC芯片,几乎都是使用了性能较好的多位Sigma-Delta调制器的,采用了如过采样和数字滤波、噪声整形、动态元件适配(DEM)等技术。除此以外,各厂商还开发出了各自的技术,来进一步提高芯片的整体性能。
1)异步采样率转换(ASRC)技术
常规芯片跟踪音频时钟的方式是使用PLL(锁相环)技术。下图所示,是一个典型的PLL电路原理图。PLL实质是一个反馈电路,用来跟踪输入信号的时钟和变化。
常规PLL电路原理图,摘自《CS8416 Datasheet》,Cirrus Logic, Inc. AUGUST '07.
通过仔细的设计和元器件的选择,PLL可以实现很好的时钟跟踪的性能,并控制Jitter(时基抖动)在较小的水平。但是,PLL电路的性能容易受信号质量、传送线路质量、器材、干扰和速度等因素的影响,在高速的状态下性能受限制。
ESS公司使用了异步采样率转换的技术,通过适当的计算,使DAC的时钟与音频信号时钟保持一致但与暂态变化脱离,芯片使用本地产生的时钟信号,DAC的Jitter仅取决于本地晶振的固有性能,实质性地来消除信号中和传输中的Jitter,降低对前端信号质量、连接线、器材等的要求。ESS公司Sabre DAC的SPDIF接口能够达到很宽裕的Jitter容忍度。
Sabre DAC的Jitter消除电路原理图,摘自《 About Jitter》AMM ESS, October 2011;
芯片不同时钟来源比较
2)HyperStream调制器
ESS公司的低阶级联的调制器,称为HyperStream调制器,使调制深度接近100%,并且保持调制器稳定,从而降低Sigma-Delta DAC的暂态(频域)非线性和噪声。
3)过采样率倍增器(OSR Doubler)
Sigma-Delta DAC都采用过采样技术来扩大动态范围,再通过噪声整形来降低音频频带内噪声。早期的DAC芯片的过采样频率还在较低的水平,如4~16倍的标准音频采样频率,现在的芯片可以做到更高的频率,来进一步提高DAC的性能。日本AKM公司,在数字滤波中采用过采样率倍增器(OSR Doubler),来增加输入信号的范围、降低音频带内噪声、同时降低功耗,其高端DAC芯片如AK4490等,过采样倍数可达到256倍。
4)分段DAC
按所处的位置和所起作用的不同,分段数字信号高位和低位,再有目的地分别进行处理,可以提高DAC的性能。Texas Instruments在PCM179x和DSD179x系列等芯片中采用了这项技术,称为“先进分段DAC",来增加动态范围和提高对Jitter的容忍度。
Texas Instruments的“先进分段DAC”原理图,摘自《DSD1794A Datasheet》Texas Instruments, NOVEMBER 2006
5)其它技术
为了尽可能地改善音频DAC芯片的性能,厂商还会采取其它一些的技术,如:数据加权平均(DWA)、增益矫正和失真补偿、基准参考电压矫正、电流输出、低输出阻抗、差分互补输出、外部数字滤波、低噪声线性电源,等等。技术手段是多样的,且有些技术还处于保密之中,因此也难以一一罗列和描述。
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高端音频DAC芯片排名
动态范围是音频DAC有代表性的性能参数,以下就按此性能高低并结合其它因素,对最高端部分的音频DAC芯片进行排名。
高端音频DAC芯片排名:
注:动态范围数据为各厂商公布的各对应芯片的最大值。排名未包括应用导向(如含有模拟放大器SoC)、独立调制器、独立数模转换器和停产的等芯片。
ESS公司的ES9038PRO作为目前为止行业内参数指标最高的芯片之一,片上集成了SPDIF接口,通过采用采样率的异步转换技术的Jitter消除电路,与前端传输Jitter去耦合,有很大的Jitter容忍度,HyperStream专利调制器能使Sigma-Delta调制器克服一些频域暂态的非常线性,外加其它的一些技术,如失真矫正、8通道可随意切换的差分DAC、专用的超低噪声线性电源(ES9311Q)等,作为性能最好的芯片,有许多的优势。
ESS公司旗舰ES9038PRO框图,摘自《 SABRE PRO ES9038PRO Datasheet》,ESS March 5, 2019
AK4499,AKM公司的新旗舰,排列中引脚最多且价格最贵的芯片,动态范围也达到了业内最高(与ES9038PRO平齐),但是没有附带SPDIF接口,所以如果在同等条件下考虑的话,综合的性能指标,应该略低于单片的指标。另外AK4499为4通道DAC,少于ES9038PRO;对DSD的支持最高为DSD512,也低于ES9038PRO的DSD1024。
引脚最多的AKM新旗舰AK4499,摘自《 AK4499 Premium Switched Resistor 4ch DAC》, AsahiKASEI, 2019/02
ES9028PRO,与ES9038PRO几乎是完全相同的芯片(包括功能和芯片包装、引脚),只在两处可以发现到差别:一是输出阻抗大于ES9038PRO;二是动态范围、失真和噪声的指标低于ES9038PRO一个级别。综合指标是否会高于同等条件下的AK4499(增加SPDIF接口等)尚没有依据,略逊色于旗舰芯片。
ES9008、ES9018,也是32位、8通道的芯片,也采用了异步采样率转换等技术,均为当时性能指标最高的芯片,但是ESS公司SABRE SOUND品牌下较早推出的芯片,使用的也是较早期的HyperStream调制技术,综合性能在ES9028PRO之下。
AK4497是AKM公司的上一个旗舰芯片,有名望的芯片,2通道DAC,各参数性能优秀,也支持32位/768kHz和DSD512的音频信号,指标略低于新旗舰AK4499。
曾经声名大噪的1794(PCM1972、PCM1794、DSD1792、DSD1794),Texas Instruments(被收购的Burr-Brown,BB)公司最有名的芯片之一(系列),采用专有的ADVANCED SEGMENT(先进分段)调制技术。虽然推出时间比较早,但还是性能指标不低的芯片,不足之处是24位的芯片,支持的采用频率也有局限。据此,可能应该向后排列,但如果对音乐信号位数(如32位PCM)不是太刻意要求的话,还是很好的芯片。
CS4399和AD1955分别是Cirrus Logic和AnalogDevices公司最高端的音频DAC芯片,AD1955时间较早但CS4399还是最近几年的产品;WM8740、WM8741、WM8742是Wolfson半导体(属于Cirrus Logic)公司的芯片,其中WM8741性能为最优;AKM公司的AK4490曾经是最畅销的芯片,之后的替代产品AK4493和后来推出的其它型号的芯片有更好的性能;ESS公司的ES9026PRO、ES9016分别是定位低于对应的ES9038PRO和ES9018的产品,Sabre9006AS更是更早期芯片ES9006的替代品;PCM1795是Texas Instruments公司少数支持32位的音频DAC芯片,和PCM1796、PCM1798一样,性能低于PCM1794系列,是比PCM1794、PCM1792级别稍低的产品。
排列稍靠后的芯片,基本上是各公司旗舰或最高端芯片之下,低一点级别的产品,或是时间较早的核心产品,性能指标不俗,与各旗舰相比,有较好的性价比。
再从另外的角度看一下排名情况。
按价格排名:
注:按当前官方销售渠道的各芯片销售价格与其中最低价格相除得到价格指数。
按推出/上市时间排名:
注:以各厂商的官方商业文件和其它官方资料提供的信息作为时间依据;芯片WM8740/41/42的推出/上市时间尚不能确定。
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小结
ESS和AKM公司的芯片的推出时间较晚、技术较新,有较明显的优势。排名先后不等同于声音的优劣,而且,每个人对声音的评判会有自己的理解和标准。任何一款优秀的芯片都有可能带来激动人心的好声音;同样,任何一款优秀的芯片,也都可能会受整机中其它部件的限制而发挥不出应有的性能,就比如120dB的动态范围的来说,外围电路要能够实现这个性能也不是容易的。高端音频DAC解码芯片技术复杂、种类繁多,遗漏和差错在所难免,欢迎指正、补充。
V2.0,2021年3月2日
参考资料:
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(结尾)
1bit解码耳放,128枚PWM-DAC,是什么HiFi档次?艾巴索D16评测
一览众山小
熊喵最近入手了个HiFi狠家伙,1Bit的分立元件便携解码耳放D16,它拥有奢华级的硬件配置和高达128枚的PWM-DAC,采用了艾巴索自研的FPGA-Master 2.0技术,THD+N能达到-121dB,更拥有高达1W+的强悍推力。
一直以来便携解码耳放的技术顶峰都是欧美厂家的绝对优势,这个现状被国产厂家艾巴索近期打破了,诞生了硬件和技术参数都属于T0级存在的设备,下面熊喵会深度聊聊D16到底采用哪些黑科技的技术,一探究竟。
D16运用了哪些黑科技呢?
D16采用了艾巴索自研的FPGA-Master 2.0 技术,起到了全局时钟,信号重组,重新编码的作用,产生能供给后级的 PWM-DAC解码PWM信号,解码部分使用了16组8E的PWM-DAC 组成解码矩阵,官方实测THD+N优于0.0001%,共计128个PWM-DAC(分立元件)芯片。
D16采用了“分时并联”的技术,L+,L-,R+,R-每通道由32个PWM-DAC合成,PWM-DAC数量是其它便携分立DAC的6.4倍以上。
可能说到这里你一脸懵逼,不要紧,D16来对比下其它设备你就懂了。
目前市面上做得最好的1bit分立元件解码器是Mola Mola的Tambaqui,售价高达13500美元,将近10万RMB,Tambaqui有两个最牛的地方,一个是采用了128枚PWM-DAC,另外一个是THD+N达到了惊人的-123dB,这个可以在Audiosciencereview的网站能够查到。
而D16呢?具备台机的性能,体积大幅度缩小,同样是128枚的PWM-DAC的配置,THD+N能达到-121dB,性能参数与Tambaqui差距很小了,价格却1万都不到,就问你香不香吧,毕竟Tambaqui可是要10万左右的价格哟,这个时候熊喵在想了,D16都有这样的技术实力了,那艾巴索的桌面台机还会远吗?说不定哪天就发布了,真是充满期待啊!
可能大家对128枚PWM-DAC还是没什么概念, 那就引用一下艾巴索详情页里的图片说明吧,你要重点看那个6.4倍是啥概念!
D16前面这三个产品是什么?可自行脑补,那么,在国外有什么是Tambaqui的竞品呢?和弦的Dave算一个。
上面这张图是Dave在淘宝详情页里的截图,简单来说就是一共40个PWM-DAC得配置,不信?下面是网上扒到的内部图,Audiosciencereview网站有实测图,感兴趣的烧友可以去看一看。
从艾巴索的实测数据来说,D16的指标比Dave好,也比同价位的Hugo2好了很多,对比D16的售价来说性价比拉满!这个时候有烧友会好奇了,那艾巴索该不会是抄袭了和弦的FPGA吧?
可以很确切的说,FPGA是根本没得抄的,只能凭真本事研发,或与Mola Mola、和弦达成技术合作,那么艾巴索究竟是怎么办到的,更深进一步的机密信息熊喵就不知道了,或许有的烧友看到这里还是一脸懵逼,再来个简化版的科普。
D16具备了和国际品牌便携式解码耳放几乎一致的硬核实力,价格却仅需国际品牌十分之一的价格,而且参数实力强于比自己贵的国际品牌型号,所以你还觉得D16太贵和声音会不好吗?那是不可能的!性价比强暴了好吧!
D16支持3.5mm与4.4mm耳机接口
支持开/关机、COAX/OPT、Type-c/DAC接口
设有1.3英寸OLED显示屏,支持参数显示和设置
驱动300Ω的HD600毫无压力,听感音场开阔,声音分离不会太拥挤,细节结像清晰,不会有因推力不足而产生的有气无力、细节糊噪的声音问题,甚至推起来还挺好听的,听古典表现不错,声音通透清晰。
驱动150Ω的艾巴索SR3就更无压力了,听流行人声非常好听。
D16其它部分硬件指标
1、采用128颗低温漂0.1%高精度25ppm薄膜电阻定制24级四联步进式电位器左右声道差异小于+/-0.1dB;
2、采用两颗Accusilicon超低相位噪音飞秒晶振,底噪低至-158dBc/Hz(@1kHz);
3、专业音频DSP芯片,理论动态范围高达192dB,THD+N达到-174dB;
4、超低噪声模拟电源,噪声低至0.6uV,比0.8uV的凌特LT304x更低。
更多技术参数就去官方产品详情页看看吧,熊喵就不在这里啰嗦啦。
D16搭配DX260后的声音体验
聆听《仙家独酌》这首曲子,二胡尾音的听感更加精致高清了,你能一耳朵听到声音的解析度提升,演奏者擦弦到收弦那丝丝缕缕的泛音细节听的非常清楚,声音的清晰度上升到了一个全新的高度,不会冷薄刺激,是自然顺滑平衡之声,没有刻意追求暴力解析而调成冷薄刺激的风格,声音能达到高解析的素质,密度不会被削弱,自然又耐听。
二胡的声体较比DX260直推的声音更凝聚了,结像轮廓更清晰,二胡那温润细腻的音色还原不错,声音有形有味,细节控制力出色,让你知道什么叫做贵就是好的声音,较比5K以下便携设备一耳朵的区别。
《晚安璃月》这首曲子录音质量不太好,通过D16的解码后音源的清晰度和结像凝聚力提升了,钢琴的听感较比DX260直推时更加结实,声粒饱满清晰,听感清脆明亮,残响有下潜和细节,钢琴从声体凝聚再到消散的过程中,你能听到完整的声音细节,不像一些低端设备听这首曲子时钢琴太糊噪,结像不凝结。
继续听郭静的《时光》,郭静演唱这首歌时离话筒很近,她的声音用这套设备听起来还原了录音时人声贴耳的听感,声体饱满凝聚,结像轮廓清晰,气息细节解析的很足,唯独弱化了齿音的存在,声音细节处理的很细腻,能听到喉部呼气时产生的空气共振声粒扩散,尾音略微带一丝磁性的听感,不至于太单调。
由于声音贴耳,密度足,结像清晰,她的声音听起来很有穿透力,《时光》这首歌的高潮部分情感表达富有感染力,让你听的感动其中。
接着听《五虎封将》,感受下动态和低频的听感,D16的高清解码能力能让歌曲的清晰度和音场规整度得到极大的提升,音域空间听感开阔大气,各种乐器定位精准有序,彼此能拉开,宽松耐听,不会有声音彼此的压迫感。
这套组合动态实力惊人,低频沉得深,高音上得去,音量从小到大的变化速度迅猛快速,收放自如,能听到鼓器的低音到高音的瞬间爆发,不拖泥带水,大场景音乐的气势感和优秀的分离质感都表达了出来,听起来巨享受!
大鼓的听感很大气,密度足,回弹快,尾音的扩散有弥散感,结像不浑浊,很清晰,真是大气又不会刺激的声音,很耐听。
聆听何训田的《尘鼓》时,鼓声的下潜有落地感,非常深沉,这套组合真是三频听感要啥有啥,很难找到吐槽点,声音是非常好听的,前提是你的耳机素质也不差,你要拿又闷又糊或者冷薄刺的耳机去搭配聆听,那就当熊喵没说。
最后听首莫扎特的《G小调第40号交响曲》第一乐章收尾,优秀的动态响应和高质量的解析分离质感能让这首曲子听起来有殿堂感,烧友们经常讨论古典音乐时说的金碧辉煌听感有了。
你能听到多乐手合奏时大小提琴那厚实的声音密度,饱满扎实不会有闷糊感,清晰度很高,琴手们在拉弦收尾时能听到丝丝缕缕的残响细节,琴杆离开琴弦过程中的微弱声音能解析出来,这首曲子不管是气势的爆发,还是声浪动态的快速起伏,不同乐器的声音细节解析,各声部的定位和分离距离听起来都太棒了,达到了便携设备中声音的天花板级别,听交响乐挺澎湃的。
当然你要说这套设备的声音是完美的吗?那肯定不是,声音的微细节上较比昂贵的头戴式系统还是有差距的,声音临场的传神度还是差了那么一点,但目前这个声音熊喵觉得是非常好听的,值得花不少价格购入的,便携有这样的声音已经非常让人惊喜了,搭配旗舰耳机聆听简直不要太爽,哈哈哈。
搭配艾巴索DX320MAX的声音体验
DX320MAX本身的调音已经是播放器中的T0级了,搭配D16的声音其实总体上并没有太大的提升,毕竟它本身的音质上限就极高了,搭配后主要是调音有细微的变化,没有DX180/DX260搭配D16后那样提升变化很大。
1bit+FPGA-Master 2.0技术的技术运用,可以将DX320MAX提供的音频信号变的更加纯净,聆听时弦乐是更干净明亮,人声的清晰度更高,鼓声的细节质感更加的丰满,音色方面和DX320MAX基本一致,只是1bit的解码能力会让你感觉到声音的清晰度更好了。
如果你听腻了DX320MAX直推的声音,想换个口味,搭配D16不是不行,声音的风格会朝着透亮清晰的方向去了,其它细节基本上没什么变化,这个时候肯定有烧友要吐槽了,是不是声音会变的直白?你别这样想,DX320MAX的音色都会保留,该有的韵味和暖度啥的都有,动态依然很猛,只是让很多声音的结像更加凝聚,细节清晰度更高而已,不会弱化耐听感。
最后再聊聊D16的本质调音风格,搭配无音染的声卡作为音源,D16本身的声音是三频均衡的,配合监听耳机能听出非常高清的声音,很好搭配设备,不会刻意的改变前端设备的声音,更多的是让音频信号更加纯净、自然、高解析,提升动态和瞬态的能力,D16人声的调音有着艾巴索独有的味道,音色润泽明亮,富有韵味,久听不累,情感表达细腻,男女声都好听。
它总体声音已经无限接近昂贵的台式系统了,技术革命性的升级还是有好处,让体积不大的设备拥有了媲美台式系统的声音,未来可期!
贵确实等于好!
D16一番体验下来,给熊喵的感觉就是贵确实等于好!它能改善前端声音的清晰度,提供更开阔宽松的音场,更有质感的分离,更强的解析,较比低价位的设备一耳朵能听出区别的,不是那种花了钱没什么音质提升的设备,如果你追求便携设备音质的天花板,D16就很适合你
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