USB-isolatoren en -filters voor DAC's

Waar komt de ruis op een USB-verbinding vandaan

Een computer is een elektrisch onrustige omgeving. De schakelende voeding, processor, grafische kaart en ventilatoren genereren hoogfrequente storingen die worden aangeduid met de afkortingen EMI en RFI (elektromagnetische en radiofrequente interferentie). De USB-poort is daar niet tegen beschermd: de 5 V-voedingslijn komt rechtstreeks van het moederbord, en de massa van de computer is via de afscherming en de massageleider van de kabel verbonden met die van de DAC.

De muziekgegevens komen daarentegen intact aan. Een via USB afgespeeld bestand bereikt de converter bit voor bit, en het probleem wordt niet veroorzaakt door een overdrachtsfout. Het komt door de parasitaire stroom die naast de gegevens meereist en uiteindelijk de analoge trap van de DAC bereikt, het gevoeligste deel van de keten, dat het signaal maakt dat u hoort.

De symptomen zijn gemakkelijk te herkennen: voortdurende ruis in de hoofdtelefoon, gekraak dat van karakter verandert wanneer u de muis beweegt of een harde schijf actief is, een lage brom die verdwijnt zodra u de USB-kabel loskoppelt. Bij luidsprekers met een hoog rendement of een gevoelige hoofdtelefoon worden deze geluiden al snel hinderlijk.

De aardlus, oorzaak van brom op 50 Hz

De lage, constante brom heeft vrijwel altijd dezelfde oorzaak. Wanneer de computer en de versterker beide via hun netstekker geaard zijn en bovendien via de massa van de USB-kabel met elkaar verbonden zijn, vormen ze een gesloten lus. Er loopt dan een kleine stroom door deze lus op de netfrequentie, 50 Hz in Europa, die zich bij het audiosignaal voegt. Dit komt vaak voor bij een desktop-pc die op een andere stekkerdoos is aangesloten dan de hifi-installatie.

Een andere kabel of een ander stopcontact levert soms resultaat op, maar de duurzame oplossing is de elektrische verbinding tussen de bron en de DAC te onderbreken en de gegevens toch door te laten.

Galvanische scheiding, een elektrische barrière tussen bron en DAC

Dat is het principe van een USB-isolator. Galvanische scheiding verwijdert elke rechtstreekse geleider tussen de ingang en de uitgang van het apparaat: de gegevens passeren de barrière via magnetische, capacitieve of optische koppeling, zonder dat er stroom van de ene kant naar de andere kan lopen. De voeding wordt op dezelfde manier behandeld, via een geïsoleerde converter of een eigen voeding voor de isolator.

Zodra de barrière is aangebracht, is de aardlus onderbroken en blijft de door de computer geproduceerde ruis aan de kant van de computer. Technische specificaties vermelden vaak een isolatiespanning in kilovolt. Deze waarde beschrijft hoe goed de barrière bestand is tegen een potentiaalverschil, nuttige veiligheidsinformatie, maar zegt niets over de geluidskwaliteit.

Filters, regeneratoren en afzonderlijke voedingen

Niet alle accessoires in deze categorie werken op dezelfde manier, en hun doeltreffendheid hangt af van het probleem dat moet worden verholpen.

Een USB-filter zonder scheiding werkt op de 5 V-voedingslijn en op hoogfrequente storingen, met behulp van condensatoren, spoelen en ferrieten. Het vermindert ruis en gekraak die verband houden met de voeding van de bron, zonder een aardlus te onderbreken. Dit is de eenvoudigste oplossing wanneer de ruis niet door de aarding wordt veroorzaakt.

Een regenerator bouwt het USB-signaal opnieuw op met zijn eigen klok, een ingebouwde precisieoscillator. Hij herstelt scherpe signaalflanken en vermindert jitter, oftewel kleine onregelmatigheden in de timing van de overdracht. De meeste moderne USB-DAC’s werken in asynchrone modus en sturen de conversie aan met hun eigen klok, waardoor de bijdrage van een regenerator vooral ligt in de elektrische zuiverheid van het signaal dat de DAC ontvangt. Veel modellen combineren regeneratie en galvanische scheiding.

Een afzonderlijke voeding vervangt de storingsrijke 5 V van de computer door een schonere bron: een externe lineaire voeding, een gereguleerde voeding met weinig ruis of een interne accu, die tijdens het luisteren elke verbinding met het lichtnet verbreekt. Sommige apparaten bieden ook een instelling om de 5 V volledig uit te schakelen wanneer de DAC een eigen voeding heeft, een aardingsaansluiting om de massa van de installatie te beheren, of een circuit voor actieve ruisonderdrukking dat een geïnverteerd signaal genereert om storingen op te heffen.

USB-snelheid en aansluitingen: punten om te controleren

Compatibiliteit wat betreft overdrachtssnelheid is het criterium dat het vaakst wordt vergeten. Sommige eenvoudige isolatoren werken alleen met USB Full Speed, op 12 Mbit/s. Deze snelheid beperkt het afspelen tot resoluties van ongeveer 24 bit en 96 kHz, sluit DSD en hoge bemonsteringsfrequenties uit, en veel DAC’s die zijn ingesteld op USB Audio Class 2 worden simpelweg niet herkend. Om alle resoluties van uw DAC te benutten, moet de isolator USB High Speed ondersteunen, op 480 Mbit/s, of zelfs USB 3.0 voor bepaalde recente interfaces.

Ook de aansluitingen zijn belangrijk: USB-A, USB-B of USB-C, afhankelijk van de poorten van de bron en de DAC, soms met een meegeleverde adapter of korte kabel. Als uw DAC of hoofdtelefoonversterker via de USB-bus wordt gevoed, controleer dan de beschikbare uitgangsstroom van de isolator, uitgedrukt in milliampère: een apparaat met een hoog stroomverbruik dat wordt gevoed door een te lichte isolator kan uitvallen of instabiel werken.

Eerst de oorzaak vaststellen, dan kopen en de isolator goed plaatsen

Een paar eenvoudige tests helpen bij de keuze. Als de ruis verdwijnt wanneer een laptop op de accu werkt, met de oplader losgekoppeld, is de netvoeding van de bron de oorzaak en zal een galvanische isolator of een afzonderlijke voeding het probleem verhelpen. Als een lage brom stopt zodra u de USB-kabel loskoppelt, gaat het om een aardlus, waarvoor galvanische scheiding nodig is. Gekraak dat samenhangt met de activiteit van de computer zonder achtergrondbrom vraagt eerder om filtering.

De isolator wordt tussen de bron en de DAC geplaatst, zo dicht mogelijk bij de DAC, met een korte kabel aan de uitgang om storingen die na de behandeling worden opgepikt te beperken. De verbetering verschilt per installatie: een desktop-pc naast de hifi-installatie profiteert er duidelijk van, een speciale netwerkspeler die al stil is iets minder, en een hoogwaardige DAC met ingebouwde USB-scheiding laat weinig ruimte voor verbetering. Dat kunt u beter weten voordat u investeert.

Hoorbare effecten en beperkingen

Wanneer brom of gekraak verdwijnt, is het verschil onmiskenbaar. Bij een installatie die al storingsvrij is, zijn de effecten subtieler: een stillere achtergrond, uitklinkende noten en nagalm die natuurlijker wegsterven, minder hoorbare restruis in de hoofdtelefoon. Een isolator verandert een DAC niet, maar stelt hem in staat onder betere elektrische omstandigheden te werken.