傳統 I2S—為何要包括系統時(shí)鐘？
過(guò)去，我們在討論音頻話(huà)題時(shí)，偶爾會(huì )提及 I2S。我在以前的一些文章中提到過(guò) I2S，其他人在做音頻研究時(shí)也都會(huì )提到它。簡(jiǎn)而言之，它是一種將立體聲數據從一端傳輸至另一端的同步方法。
大多數人認為 I2S 有三種信號：
- 數據：輸入或者輸出數據
- 位時(shí)鐘 (Bitclock，BCK)：確立數據流中兩個(gè)相鄰位之間邊界的信號
- 左/右時(shí)鐘 (LRCK)/字時(shí)鐘 (Wordclock)：一個(gè)在采樣速率下運行、占空比為 50% 的慢時(shí)鐘，它確立數據流中兩條相鄰通道（左和右）之間的邊界。
I2S 的幕后英雄是主時(shí)鐘 (MCK)，也稱(chēng)作系統時(shí)鐘 (SCK)，它常常被數字信號處理器 (DSP) 程序員和其他處理器愛(ài)好者們忽略。主時(shí)鐘 (MCK/SCK)，通常為一個(gè)64、128、256 和 512 倍采樣速率 (FS) 的時(shí)鐘。它可以由一個(gè)輸入引腳直接提供，也可以通過(guò)一個(gè)鎖相環(huán)路 (PLL) 在某些器件內部產(chǎn)生。
一般而言，DSP 不需要音頻主時(shí)鐘，因為它們能夠以一種完全不同的速率對數據進(jìn)行處理，然后在 BCK 和 LRCK 的驅動(dòng)下，讓數據以某種速率進(jìn)入輸出緩沖器（或者通過(guò)輸入緩沖器接收數據）。
如果您能暫時(shí)將注意力從您的處理器上移開(kāi)，您會(huì )發(fā)現音頻主時(shí)鐘重要得多。大多數 MCK/SCK 輸入的音頻轉換器，都要求時(shí)鐘同步，而有一些則允許異相位。這就意味著(zhù)，它們需要由相同的高速時(shí)鐘來(lái)提供，然后被除小。我接觸過(guò)的一些客戶(hù)會(huì )突發(fā)靈感地告訴我：“我的 ADC 需要一個(gè) MCK，但它離我的 DAC 太遠。因此，我要在每個(gè)轉換器旁邊放置一個(gè)晶體……”有這種想法可以理解，但請您“千萬(wàn)別這么做！”
您在購買(mǎi)晶體時(shí)，無(wú)法保證它剛好為 48.000 kHz。您的模數轉換器 (ADC) 晶體的運行精確度可能會(huì )為 +5%，而數模轉換器 (DAC) 的運行精確度可能為 –5%。這樣的精確度，會(huì )給您的設計帶來(lái)災難性的后果！這是為什么呢，下面將為您娓娓道來(lái)。
用于 I2S
用于音頻 ADC 的主時(shí)鐘
如圖 1 所示，高速主時(shí)鐘（例如：24.576 MHz 時(shí)鐘）用于驅動(dòng) ADC 的過(guò)采樣調制器。之后，來(lái)自過(guò)采樣調制器的數據被消減分解成 LRCK 給定的采樣速率。
當 ADC 運行在主模式（生成 BCK 和 LRCK，作為輸出）下時(shí)，ADC 只是對 MCK/SCK 進(jìn)行劃分，產(chǎn)生 LRCK 和 BCK 信號。這就對啦！LRCK/BCK 和主時(shí)鐘被同步—相位也可能同步（除非它是一個(gè)特殊分割器）。
圖 1 通用 ADC 結構圖
如果作為一個(gè)從器件，并且主時(shí)鐘不同步，則它產(chǎn)生的數據會(huì )過(guò)多或者過(guò)少，以至于數字抽取器無(wú)法剛好適合于輸出字。在這種條件下，許多 ADC 會(huì )拒絕流傳輸數據。
DAC 也是如此。圖 2 顯示了一個(gè)高級 DAC 結構圖。此處，需要通過(guò) MCK/SCK 運行內插器，而 MCK/SCK 同時(shí)還驅動(dòng) △∑ 調制器。如果 MCK/SCK 不是采樣速率的整倍數 (64/128/256/512)，則在 △∑ 調制器輸出端可能會(huì )出現錯誤數據。
圖 2 通用 DAC 結構圖
我在哪里/如何生成 MCK/SCK 呢？
在當今的工業(yè)應用中，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(dòng)。偶爾會(huì )用到壓控振蕩器 (VCO)，但它們會(huì )受到其輸出抖動(dòng)的困擾。
許多現代的音頻轉換器現在都集成了一個(gè) PLL，以通過(guò)慢 BCK 產(chǎn)生 MCK。這樣做很有效。但是，您應該注意，使用 PLL 時(shí)始終都會(huì )有產(chǎn)生抖動(dòng)的可能，從而降低了音頻性能。
另外，我建議，如果在晶體源驅動(dòng) ADC 或是 DAC 兩者之間選擇，請您選擇通過(guò)一個(gè)晶體產(chǎn)生源來(lái)運行 ADC。如果輸入很糟糕，那么您做什么都于事無(wú)補�。ň拖衲豢赡馨褷�泥打磨光亮�。�
因此，我的建議遵循的原則是：
1、如果轉換器為一個(gè) I2S 從器件，則您必須通過(guò)相同源（如果轉換器帶有，則可以依靠?jì)炔?PLL），提供所有三個(gè) I2S 時(shí)鐘（MCK、BCK 和 LRCK）。
2、如果轉換器為一個(gè) I2S 主器件，則請確定能夠提供一個(gè)可靠的無(wú)抖動(dòng) MCK源。然后，讓轉換器自己分配。在可能的情況下，讓 ADC 通過(guò)一個(gè)可靠的低抖動(dòng) MCK 源在主模式下運行。這樣做可以確保最低抖動(dòng)和最小高頻失真。 |
