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音频指标科普:挑 DAC 时不懂时钟和晶振

  • Jul 11,2023
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进入数位化时代之后,模拟电信号的储存/传输逐渐被数字信号所取代。以量化为数字信号的方式进行储存和传输,有着占用资源少,容错率高,抗干扰强等等优点。但是我们人体对世界的感知仍然是“模拟的”、“连续的”(其实生物体内部的信号传递也有量化的过程,而且世界最本质也并不是连续的,但是现在我们不用讨论这种微观物理模型)。于是数模转换就成了电子信息工程中非常重要的一个环节,在通讯工程,信号处理,自动化与控制等等领域都需要涉及到。电子工程师们精心地设计开发各种IC和电路,就是为了提高DA/AD的精度和性能,电声学系统更是如此。

在电声学回放系统中负责数模转换的核心元件就是DAC芯片。不论是传统的R2R电流相加型DAC还是SDM积分内插型DAC,都对输入的数字信号的质量有着一定要求。

时钟和晶振

自从8年前的七彩虹C4使用上双频点晶振及FPGA用于解决重采样即SRC带来的失真后,随身HiFi播放器甚至手机,都开始普及双晶振,并慢慢地加入CPLD或者FPGA等控制逻辑来对时钟信号进行合成和处理。到现在,高端的随身HiFi播放器也和台式设备一样,开始宣传“飞秒晶振”。宣传中总是把Jitter即时基误差拿出来作为一个非常重要的宣传点,而很多数字音频工程师或者资深发烧友又会告诉你Jitter值其实没有相噪重要。这到底是怎么回事呢?

“飞秒”晶振和相噪的关系

首先要知道,相位噪声本身指的并不是一种噪声,而是系统在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化,是一种“误差”,是衡量频率源稳定性和准确性的重要指标。表达这种误差的方法就是将不同误差量的随机变化分别表示出来,这就形成了相噪图谱。我们来看一个例子:


上图是著名的飞秒晶振CCHD-575 100MHz的相噪图。可以看到图中的横坐标是Hz,也就是偏移频率。偏移频率是相对于载波频率也就是时钟本身的工作频率而言的。理想状态下,如图中一个工作在100MHz频点的晶振,应该每一次震荡都间隔相等(10ns),准确地输出方波。但是现实是,晶振的每一次输出都有可能比应有位置要快一点或者慢一点,对应的频率也就高一点或者低一点。

如果此时输出频率为100.0001MHz,那么频率偏移100Hz后就是99,9999MHz或者100.0001MHz。上图中指出100Hz处的相噪位-121dBc/Hz,也就是说,99,9999MHz和100.0001MHz两种(±100Hz)输出频率的功率,占总输出功率的比例为0.000089% 每Hz。之所以是dBc/Hz而不是单纯的dBc,是要根据频率均一化,因为不同频率上的功率比值是不同的。相噪图是时钟频稳质量在频域上的完整表达,当然也可以简化成时域上的数值表达——Jitter。计算方法和通过THD曲线算数值的方法类似,即将相噪-频率曲线进行积分,不过要得到Jitter还要再做进制转换。在实际工程应用中,为了免去复杂的计算,就将积分简化为面积计算,如下图:

既然是积分(面积计算),那么就需要定义上下限。对于音频用晶振,业界通常使用10-1MHz的积分上下限,而通讯用晶振常常关注12kHz-80MHz带宽内的表现,对于计时电路和系统,则更关注晶振更长期的精度(其实也可以由相噪图积分得出,但一般采用另外的测量办法,这里不做讨论)。在现在几乎在高端随身HiFi播放器中几乎普及的“飞秒晶振” AS318B的Datasheet中,官方就给出了这两种积分带宽下的Jitter值,找到对应的100MHz频点下,12kHz-80MHz的Jitter值只有71fs,比CCHD-575标称的82fs还要更低。


常见有源晶振的选择

这里介绍一下几个在随身HiFi播放器中较为常见的有源晶振型号,做一下简单对比。

1. CCHD-575/CCHD-957这是老牌晶振大厂Crystek的第二代飞秒晶振,是第一代飞秒晶振CCHD-950在被用于HiFi音频应用后分化开发出来的优化产品。不同的是CCHD-957是专用的音频频点晶振,最高只能做到49.152MHz,而CCHD-575则可以做到100MHz,但近端相噪略逊色于CCHD-957,总体来说都是很不错的晶振,有很多中高阶台式解码使用。

2. AS318/AS318B

AS318B是Accusilicon推出的飞秒晶振,比Crystek的CCHD系列更加优秀一些。但是AS318和AS318B并不是同一个型号,是低精度版本,用于手机,通讯等电子设备。乐视手机就曾使用过AS318。这两者都有三种封装提供,2520多用于随身播放器,SMD1409用于台式设备,DIP14则是直插型封装。-100dBc/Hz@10Hz的优异相噪让AS318B成为了高端HiFi播放器的首选。

3. NZ2016SDA/NZ2520SDA/NZ3225SDA

NDK的NZ系列晶振在发布的时候号称做到了该体积下的最低相噪。从官方给出的Datasheet来看,也确实非常优秀,45MHz和49MHz的频点几乎与AS318B的相噪水平相当。但NZ-SDA还可以做到26MHz以下的频点(22MHz/24MHz),而AS318B没有低频点的选择,所以NZ-SDA系列可以说是给CS系列DAC使用的最佳选择。

4. DSO221SH系列

日本另一家晶振大厂KDS的产品。日本人命名晶振产品非常直白,通常直接把封装放进名称里。而DSO系列晶振虽然也用名称直接区分封装,但却不是以封装命名,容易把人搞迷糊,有兴趣的同学可以去找一找。他们家的音频用晶振不算优秀,甚至经常被MEMS晶振拿出来吊打。

5. SiT8208

这是SiTime新推出的MEMS硅晶振。和石英晶振不同的是,它不需要精确的温补,也不需要避震,还有这非常好的长期稳定性,衰减非常慢,远端相噪低,抗干扰性能好。不过实际上因为MEMS硅晶振的近端相噪不够优秀,对于高端HiFi应用来说显得力有不逮。