信號鏈基礎(chǔ)知識:誰是音頻時鐘的“老板”?

過去，我們在討論音頻話題時，偶爾會提及 I2S。我在以前的一些文章中提到過 I2S，其他人在做音頻研究時也都會提到它。簡而言之，它是一種將立體聲數(shù)據(jù)從一端傳輸至另一端的同步方法。

大多數(shù)人認(rèn)為 I2S 有三種信號：

1.數(shù)據(jù)：輸入或者輸出數(shù)據(jù)

2.位時鐘 (Bitclock，BCK)：確立數(shù)據(jù)流中兩個相鄰位之間邊界的信號

3.左/右時鐘 (LRCK)/字時鐘 (Wordclock)：一個在采樣速率下運行、占空比為 50% 的慢時鐘，它確立數(shù)據(jù)流中兩條相鄰?fù)ǖ?左和右)之間的邊界。

I2S的幕后英雄是主時鐘 (MCK)，也稱作系統(tǒng)時鐘 (SCK)，它常常被數(shù)字信號處理器 (DSP) 程序員和其他處理器愛好者們忽略。主時鐘 (MCK/SCK)，通常為一個64、128、256和512倍采樣速率 (FS) 的時鐘。它可以由一個輸入引腳直接提供，也可以通過一個鎖相環(huán)路 (PLL) 在某些器件內(nèi)部產(chǎn)生。

一般而言，DSP不需要音頻主時鐘，因為它們能夠以一種完全不同的速率對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后在BCK和LRCK的驅(qū)動下，讓數(shù)據(jù)以某種速率進(jìn)入輸出緩沖器(或者通過輸入緩沖器接收數(shù)據(jù))。

如果您能暫時將注意力從您的處理器上移開，您會發(fā)現(xiàn)音頻主時鐘重要得多。大多數(shù)MCK/SCK輸入的音頻轉(zhuǎn)換器，都要求時鐘同步，而有一些則允許異相位。這就意味著，它們需要由相同的高速時鐘來提供，然后被除小。我接觸過的一些客戶會突發(fā)靈感地告訴我：“我的ADC需要一個MCK，但它離我的DAC太遠(yuǎn)。因此，我要在每個轉(zhuǎn)換器旁邊放置一個晶體……”有這種想法可以理解，但請您“千萬別這么做!”

您在購買晶體時，無法保證它剛好為48.000 kHz。您的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 晶體的運行精確度可能會為+5%，而數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的運行精確度可能為–5%。這樣的精確度，會給您的設(shè)計帶來災(zāi)難性的后果!這是為什么呢，下面將為您娓娓道來。

用于 I2S

用于音頻ADC的主時鐘

如圖1所示，高速主時鐘(例如：24.576 MHz時鐘)用于驅(qū)動ADC的過采樣調(diào)制器。之后，來自過采樣調(diào)制器的數(shù)據(jù)被消減分解成LRCK給定的采樣速率。

當(dāng)ADC運行在主模式(生成BCK和LRCK，作為輸出)下時，ADC只是對MCK/SCK進(jìn)行劃分，產(chǎn)生LRCK和 CK信號。這就對啦!LRCK/BCK和主時鐘被同步—相位也可能同步(除非它是一個特殊分割器)。

圖1 通用ADC結(jié)構(gòu)圖

如果作為一個從器件，并且主時鐘不同步，則它產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會過多或者過少，以至于數(shù)字抽取器無法剛好適合于輸出字。在這種條件下，許多ADC會拒絕流傳輸數(shù)據(jù)。

DAC也是如此。圖2顯示了一個高級DAC結(jié)構(gòu)圖。此處，需要通過MCK/SCK運行內(nèi)插器，而MCK/SCK同時還驅(qū)動△∑調(diào)制器。如果MCK/SCK不是采樣速率的整倍數(shù) (64/128/256/512)，則在△∑調(diào)制器輸出端可能會出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)。

圖2 通用DAC結(jié)構(gòu)圖

我在哪里/如何生成MCK/SCK呢?

在當(dāng)今的工業(yè)應(yīng)用中，CMOS振蕩器由許多晶體振蕩器支持，并緊靠這些晶體振蕩器。它們都擁有非常好的精確度和較低的抖動。偶爾會用到壓控振蕩器　(VCO)，但它們會受到其輸出抖動的困擾。

許多現(xiàn)代的音頻轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在都集成了一個PLL，以通過慢BCK產(chǎn)生MCK。這樣做很有效。但是，您應(yīng)該注意，使用PLL時始終都會有產(chǎn)生抖動的可能，從而降低了音頻性能。

另外，我建議，如果在晶體源驅(qū)動ADC或是DAC兩者之間選擇，請您選擇通過一個晶體產(chǎn)生源來運行ADC。如果輸入很糟糕，那么您做什么都于事無補!(就像您不可能把爛泥打磨光亮!)

因此，我的建議遵循的原則是：

1、如果轉(zhuǎn)換器為一個I2S從器件，則您必須通過相同源(如果轉(zhuǎn)換器帶有，則可以依靠內(nèi)部 PLL)，提供所有三個I2S時鐘(MCK、BCK和LRCK)。

2、如果轉(zhuǎn)換器為一個I2S主器件，則請確定能夠提供一個可靠的無抖動MCK源。然后，讓轉(zhuǎn)換器自己分配。在可能的情況下，讓ADC通過一個可靠的低抖動MCK源在主模式下運行。這樣做可以確保最低抖動和最小高頻失真。

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