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| 音頻DAC性能研究 |
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| 文章來(lái)源：永阜康科技 更新時(shí)間：2018/8/25 10:32:00 |
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摘要：MAX9850音頻DAC可以工作在較寬的主時(shí)鐘頻率范圍，而具有不同的性能表現。通過(guò)選擇不同的主時(shí)鐘頻率，設計人員可以在性能和簡(jiǎn)化設計之間做出平衡。本應用筆記分析不同主時(shí)鐘頻率與采樣率之比對應的MAX9850性能，說(shuō)明主時(shí)鐘頻率如何影響器件性能。
MAX9850是一款具備獨特時(shí)鐘電路的音頻DAC，該時(shí)鐘電路允許器件在較寬的主時(shí)鐘頻率范圍內獲得很好的音頻性能。典型的音頻DAC需要主時(shí)鐘頻MAX9850是一款具備獨特時(shí)鐘電路的音頻DAC，該時(shí)鐘電路允許器件在較寬的主時(shí)鐘頻率范圍內獲得很好的音頻性能。典型的音頻DAC需要主時(shí)鐘頻率恰好是采樣率的整數倍。例如，如果采樣率是48kHz，那么最常用的主時(shí)鐘是48kHz x 256 = 12.288MHz。MAX9850可以工作在標準音頻時(shí)鐘，也可以工作在常用的系統時(shí)鐘，例如12MHz，但性能有所降低。MAX9850具備寬范圍的主時(shí)鐘頻率，使設計人員能夠在性能和簡(jiǎn)化設計之間做出適當的平衡，靈活選擇主時(shí)鐘頻率。
整數模式¹
為獲得最佳性能，可以采用主機或從機整數模式，這兩種模式需要一個(gè)頻率恰好為采樣率整數倍的主時(shí)鐘。主機模式設置MAX9850輸出字和位時(shí)鐘；從機模式設置MAX9850輸入字和位時(shí)鐘。圖1顯示了MAX9850工作在主機整數模式下的FFT。輸入信號是1kHz、滿(mǎn)擺幅正弦信號，采樣率為48kHz。主時(shí)鐘是同步的12.288MHz信號。
圖1. 主機整數模式，MCLK = 12.288MHz, FS = 48kHz, 0dBFS
在所有頻率上，主機整數模式的失真振幅等于或小于-90dB，得到的THD+N是-85dB。所有失真都表現為諧波，這個(gè)等級的信號對于大多數人來(lái)說(shuō)很難聽(tīng)到。由于MAX9850用于回放系統的音頻恢復，這些音頻已經(jīng)通過(guò)有損算法進(jìn)行編碼，例如MP3，因此，這種模式產(chǎn)生的失真不會(huì )制約回放鏈路的音質(zhì)。
圖2中，MAX9850工作在從機模式，采用與圖1相同的時(shí)鐘、采樣率和輸入信號。由于所有時(shí)鐘同步，時(shí)鐘之間為整數倍關(guān)系，因此性能沒(méi)有受到影響。
圖2. 從機整數模式。MCLK = 12.288MHz, FS = 48kHz, 0dBFS
非整數模式
雖然整數模式提供最好的性能，但是它需要的時(shí)鐘頻率必須恰好是采樣率的整數倍(如采樣率為FS，時(shí)鐘頻率為16 x FS)，必須準確無(wú)誤。系統其它電路一般不會(huì )使用整數倍關(guān)系的時(shí)鐘頻率。在許多便攜式音頻系統中，常用的時(shí)鐘頻率是12MHz，因為USB使用該頻率。由于系統已經(jīng)提供了這一時(shí)鐘，因此，相對于專(zhuān)用時(shí)鐘, 使用音頻時(shí)鐘將簡(jiǎn)化系統設計。盡管12MHz不是所有音頻采樣率的整倍數關(guān)系：16 x FS，但它是48kHz的整數倍。因此，采用非整數倍時(shí)鐘能夠很容易產(chǎn)生相應的內部時(shí)鐘。圖3所示為系統采用12MHz時(shí)鐘產(chǎn)生1kHz信號時(shí)的頻譜，該信號采樣率為48kHz。與整數模式相比，MAX9850在這種模式下性能有所下降，但不明顯。最大諧波仍然低于信號振幅大約90dB，但是在信號中出現了其它的非諧波失真成分，THD+N降至-83dB。
圖3. 主機非整數模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, 0dBFS
切換到從機模式(圖4)可消除非諧波失真成分，提供與整數模式幾乎相當的性能。
圖4. 從機非整數模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, 0dBFS
圖5所示為主機非整數模式下，工作于12MHz時(shí)鐘、輸入數據采用44.1kHz采樣時(shí)，MAX9850的輸出FFT。雖然采樣率和主時(shí)鐘不是整數倍關(guān)系，MAX9850仍然能夠再現1kHz正弦波，性能差異主要表現在失真較高。由于DAC的工作數據和時(shí)鐘來(lái)自非整數時(shí)鐘，因此，所產(chǎn)生的失真不全是諧波失真。在這種模式下，測得的THD+N大約是-71dB。
圖5. 主機非整數模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, 0dBFS
整數模式下，主從模式之間的轉換對性能沒(méi)有影響，而非整數模式下情況則不同，主工作模式轉換到從工作模式會(huì )進(jìn)一步降低轉換器的性能，如圖6所示。THD+N增加到-65dB。
圖6. 從機非整數模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, 0dBFS
失真與輸入幅度的函數
雖然在較大的信號幅度下，信號能夠掩蓋一些失真。但是，隨著(zhù)信號幅度的降低，必須降低失真以保持良好的音質(zhì)。圖7至圖11顯示了MAX9850在-30dBFS和-60dBFS信號電平下的輸出頻譜。對于主時(shí)鐘和采樣率之間存在整數關(guān)系的模式，所有失真成分都低于-30dBFS信號振幅的噪聲基底。對于采樣率和主時(shí)鐘之間為非整數關(guān)系的模式，例如44.1kHz和12MHz，僅殘留有較低幅度的失真。對于-60dBFS輸入，這種結構中存在的固有失真開(kāi)始出現在頻譜中，這種失真與采樣率或主時(shí)鐘沒(méi)有直接關(guān)系，結果在所有模式中相同。
圖7. 主/從、整數模式，MCLK = 12.288MHz, FS = 48kHz, -30dBFS, -60dBFS
圖8. 主機非整數模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, -30dBFS, -60dBFS
圖9. 從機非整數模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, -30dBFS, -60dBFS
圖10. 主機非整數模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, -30dBFS, -60dBFS
圖11. 從機非整數模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, -30dBFS, -60dBFS
結論
滿(mǎn)擺幅輸入信號下，某些模式下能夠測量到明顯的失真。但不會(huì )明顯影響視聽(tīng)效果。這是由于人耳對強音敏感，而忽略了幅度較小的失真分量。許多有損壓縮算法(例如，MP3和AAC)便利用了這一概念，通過(guò)去掉被強音信號屏蔽的信號部分實(shí)現壓縮。這兩種情況下可以消除大量數據，而不會(huì )明顯犧牲音質(zhì)。同樣，轉換器也可以產(chǎn)生一些失真，而不會(huì )影響音質(zhì)。
當人耳聆聽(tīng)低電平信號時(shí)，能夠更好地分辨出信號中的失真，因為沒(méi)有強音信號提供屏蔽。對于較低電平信號，MAX9850產(chǎn)生的失真接近或低于噪聲底，仍能保持良好的音質(zhì)。
不管哪種工作模式，MAX9850都能夠獲得較好的信噪比和動(dòng)態(tài)范圍。由于-60dBFS輸入信號產(chǎn)生的頻譜相同，與工作模式無(wú)關(guān)，因此，所有模式下的動(dòng)態(tài)范圍都一樣。同樣，所有工作模式的噪聲底一樣，因此，所有模式的信噪比也一樣。
即使在性能最差的模式下，MAX9850也可以得到有效結果。對于聲音質(zhì)量不是很重要的系統，器件可以連接任何系統時(shí)鐘，保持良好的工作。對于音頻質(zhì)量要求較高的系統，建議提供特定的音頻時(shí)鐘，使DAC工作在完全同步模式下。 |
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