TI熱門信號(hào)鏈基礎(chǔ)系列之 54：誰(shuí)是音頻時(shí)鐘的“老板

關(guān)鍵詞：I2S、主時(shí)鐘、MCK、PLL、BCK、LRCK、壓控振蕩器、VCO、音頻、模擬、半導(dǎo)體、德州儀器、TI

信號(hào)鏈基礎(chǔ)知識(shí)#54 誰(shuí)是音頻時(shí)鐘的“老板”，誰(shuí)是主，誰(shuí)又是從呢？

作者：Dafydd Roche，德州儀器 (TI) 音頻工程師

傳統(tǒng) I2S—為何要包括系統(tǒng)時(shí)鐘？

過(guò)去，我們?cè)谟懻撘纛l話題時(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(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(hào)：

1.數(shù)據(jù)：輸入或者輸出數(shù)據(jù)

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

3.左/右時(shí)鐘 (LRCK)/字時(shí)鐘 (Wordclock)：一個(gè)在采樣速率下運(yùn)行、占空比為 50% 的慢時(shí)鐘，它確立數(shù)據(jù)流中兩條相鄰?fù)ǖ溃ㄗ蠛陀遥┲g的邊界。

I2S 的幕后英雄是主時(shí)鐘 (MCK)，也稱作系統(tǒng)時(shí)鐘 (SCK)，它常常被數(shù)字信號(hào)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(nèi)部產(chǎn)生。

一般而言，DSP 不需要音頻主時(shí)鐘，因?yàn)樗鼈兡軌蛞砸环N完全不同的速率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后在 BCK 和 LRCK 的驅(qū)動(dòng)下，讓數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)）。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(xiàn)音頻主時(shí)鐘重要得多。大多數(shù) MCK/SCK 輸入的音頻轉(zhuǎn)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，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(yuǎn)。因此，我要在每個(gè)轉(zhuǎn)換器旁邊放置一個(gè)晶體……”有這種想法可以理解，但請(qǐng)您“千萬(wàn)別這么做！”

您在購(gòu)買晶體時(shí)，無(wú)法保證它剛好為 48.000 kHz。您的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 晶體的運(yùn)行精確度可能會(huì)為 +5%，而數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的運(yùn)行精確度可能為 –5%。這樣的精確度，會(huì)給您的設(shè)計(jì)帶來(lái)災(zāi)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(qū)動(dòng) ADC 的過(guò)采樣調(diào)制器。之后，來(lái)自過(guò)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(yùn)行在主模式（生成 BCK 和 LRCK，作為輸出）下時(shí)，ADC 只是對(duì) MCK/SCK 進(jìn)行劃分，產(chǎn)生 LRCK 和 BCK 信號(hào)。這就對(duì)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)會(huì)過(guò)多或者過(guò)少，以至于數(shù)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(shù)據(jù)。

DAC 也是如此。圖 2 顯示了一個(gè)高級(jí) DAC 結(jié)構(gòu)圖。此處，需要通過(guò) MCK/SCK 運(yùn)行內(nèi)插器，而 MCK/SCK 同時(shí)還驅(qū)動(dòng) △∑ 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(huì)出現(xiàn)錯(cuò)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(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(xiàn)代的音頻轉(zhuǎn)換器現(xiàn)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(yīng)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(qū)動(dòng) ADC 或是 DAC 兩者之間選擇，請(qǐng)您選擇通過(guò)一個(gè)晶體產(chǎn)生源來(lái)運(yùn)行 ADC。如果輸入很糟糕，那么您做什么都于事無(wú)補(bǔ)?。ň拖衲豢赡馨褷€泥打磨光亮?。?/p>

因此，我的建議遵循的原則是：

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

2、如果轉(zhuǎn)換器為一個(gè) I2S 主器件，則請(qǐng)確定能夠提供一個(gè)可靠的無(wú)抖動(dòng) MCK源。然后，讓轉(zhuǎn)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(yùn)行。這樣做可以確保最低抖動(dòng)和最小高頻失真。

建議參閱資料：

•《關(guān)于抖動(dòng)》，作者：Dan Lavry，Lavry 工程公司，版權(quán)所有 1997。