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信号链基础知识#54 谁是音频时钟的“老板”,谁是主,谁又是从呢?

2011-12-20
作者:Dafydd Roche,德州仪器 (TI) 音频工程师

传统I2S—为何要包括系统时钟?

    过去,我们在讨论音频话题时,偶尔会提及I2S。我在以前的一些文章中提到过I2S,其他人在做音频研究时也都会提到它。简而言之,它是一种将立体声数据从一端传输至另一端的同步方法。

大多数人认为I2S 有三种信号:

1.      数据:输入或者输出数据

2.      位时钟(Bitclock,BCK):确立数据流中两个相邻位之间边界的信号

3.      左/右时钟(LRCK)/字时钟(Wordclock):一个在采样速率下运行、占空比为50% 的慢时钟,它确立数据流中两条相邻通道(左和右)之间的边界。

    I2S 的幕后英雄是主时钟(MCK),也称作系统时钟(SCK),它常常被数字信号处理器(DSP) 程序员和其他处理器爱好者们忽略。主时钟(MCK/SCK),通常为一个64、128、256和512倍采样速率(FS) 的时钟。它可以由一个输入引脚直接提供,也可以通过一个锁相环路(PLL) 在某些器件内部产生。

一般而言,DSP 不需要音频主时钟,因为它们能够以一种完全不同的速率对数据进行处理,然后在BCK 和LRCK 的驱动下,让数据以某种速率进入输出缓冲器(或者通过输入缓冲器接收数据)。

    如果您能暂时将注意力从您的处理器上移开,您会发现音频主时钟重要得多。大多数MCK/SCK 输入的音频转换器,都要求时钟同步,而有一些则允许异相位。这就意味着,它们需要由相同的高速时钟来提供,然后被除小。我接触过的一些客户会突发灵感地告诉我:“我的ADC 需要一个MCK,但它离我的DAC 太远。因此,我要在每个转换器旁边放置一个晶体……”有这种想法可以理解,但请您“千万别这么做!”

    您在购买晶体时,无法保证它刚好为48.000 kHz。您的模数转换器(ADC) 晶体的运行精确度可能会为+5%,而数模转换器(DAC) 的运行精确度可能为–5%。这样的精确度,会给您的设计带来灾难性的后果!这是为什么呢,下面将为您娓娓道来。

用于I2S

用于音频ADC 的主时钟

    如1 所示,高速主时钟(例如:24.576 MHz时钟)用于驱动ADC 的过采样调制器。之后,来自过采样调制器的数据被消减分解成LRCK 给定的采样速率。

    当ADC 运行在主模式(生成BCK 和LRCK,作为输出)下时,ADC 只是对MCK/SCK 进行划分,产生LRCK 和BCK 信号。这就对啦!LRCK/BCK 和主时钟被同步—相位也可能同步(除非它是一个特殊分割器)。

1 通用ADC 结构图

 

    如果作为一个从器件,并且主时钟不同步,则它产生的数据会过多或者过少,以至于数字抽取器无法刚好适合于输出字。在这种条件下,许多ADC 会拒绝流传输数据。

    DAC 也是如此。2 显示了一个高级DAC 结构图。此处,需要通过MCK/SCK 运行内插器,而MCK/SCK 同时还驱动△∑ 调制器。如果MCK/SCK 不是采样速率的整倍数(64/128/256/512),则在△∑ 调制器输出端可能会出现错误数据。

2 通用DAC 结构图

我在哪里/如何生成MCK/SCK 呢?

    在当今的工业应用中,CMOS 振荡器由许多晶体振荡器支持,并紧靠这些晶体振荡器。它们都拥有非常好的精确度和较低的抖动。偶尔会用到压控振荡器 (VCO),但它们会受到其输出抖动的困扰。

    许多现代的音频转换器现在都集成了一个PLL,以通过慢BCK 产生MCK。这样做很有效。但是,您应该注意,使用PLL 时始终都会有产生抖动的可能,从而降低了音频性能。

    另外,我建议,如果在晶体源驱动ADC 或是DAC 两者之间选择,请您选择通过一个晶体产生源来运行ADC。如果输入很糟糕,那么您做什么都于事无补!(就像您不可能把烂泥打磨光亮!)

    因此,我的建议遵循的原则是:

    1、如果转换器为一个I2S 从器件,则您必须通过相同源(如果转换器带有,则可以依靠内部PLL),提供所有三个I2S 时钟(MCK、BCK 和LRCK)。

    2、如果转换器为一个I2S 主器件,则请确定能够提供一个可靠的无抖动MCK源。然后,让转换器自己分配。在可能的情况下,让ADC 通过一个可靠的低抖动MCK 源在主模式下运行。这样做可以确保最低抖动和最小高频失真。

建议参阅资料:

·        《关于抖动》,作者:Dan Lavry,Lavry 工程公司,版权所有©1997。

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