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          音頻DAC性能研究
          
						
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				作者：
				時間：2006-10-23
				來源：Maxim

				
				
				
				
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			MAX9850音頻DAC可以工作在較寬的主時鐘頻率范圍，而具有不同的性能表現(xiàn)。通過選擇不同的主時鐘頻率，設計人員可以在性能和簡化設計之間做出平衡。本應用筆記分析不同主時鐘頻率與采樣率之比對應的MAX9850性能，說明主時鐘頻率如何影響器件性能。 

          MAX9850是一款具備獨特時鐘電路的音頻DAC，該時鐘電路允許器件在較寬的主時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，那么最常用的主時鐘是48kHz x 256 = 12.288MHz。MAX9850可以工作在標準音頻時鐘，也可以工作在常用的系統(tǒng)時鐘，例如12MHz，但性能有所降低。MAX9850具備寬范圍的主時鐘頻率，使設計人員能夠在性能和簡化設計之間做出適當的平衡，靈活選擇主時鐘頻率。 


          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頻率恰好為采樣率整數倍的主時鐘。主機模式設置MAX9850輸出字和位時鐘；從機模式設置MAX9850輸入字和位時鐘。圖1顯示了MAX9850工作在主機整數模式下的FFT。輸入信號是1kHz、滿擺幅正弦信號，采樣率為48kHz。主時鐘是同步的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(xiàn)為諧波，這個等級的信號對于大多數人來說很難聽到。由于MAX9850用于回放系統(tǒng)的音頻恢復，這些音頻已經通過有損算法進行編碼，例如MP3，因此，這種模式產生的失真不會制約回放鏈路的音質。 

          圖2中，MAX9850工作在從機模式，采用與圖1相同的時鐘、采樣率和輸入信號。由于所有時鐘同步，時鐘之間為整數倍關系，因此性能沒有受到影響。
          

          

          


          




          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，但是它需要的時鐘頻率必須恰好是采樣率的整數倍(如采樣率為FS，時鐘頻率為16 x FS)，必須準確無誤。系統(tǒng)其它電路一般不會使用整數倍關系的時鐘頻率。在許多便攜式音頻系統(tǒng)中，常用的時鐘頻率是12MHz，因為USB使用該頻率。由于系統(tǒng)已經提供了這一時鐘，因此，相對于專用時鐘, 使用音頻時鐘將簡化系統(tǒng)設計。盡管12MHz不是所有音頻采樣率的整倍數關系：16 x FS，但它是48kHz的整數倍。因此，采用非整數倍時鐘能夠很容易產生相應的內部時鐘。圖3所示為系統(tǒng)采用12MHz時鐘產生1kHz信號時的頻譜，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(xiàn)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時鐘、輸入數據采用44.1kHz采樣時，MAX9850的輸出FFT。雖然采樣率和主時鐘不是整數倍關系，MAX9850仍然能夠再現(xiàn)1kHz正弦波，性能差異主要表現(xiàn)在失真較高。由于DAC的工作數據和時鐘來自非整數時鐘，因此，所產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進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，隨著信號幅度的降低，必須降低失真以保持良好的音質。圖7至圖11顯示了MAX9850在-30dBFS和-60dBFS信號電平下的輸出頻譜。對于主時鐘和采樣率之間存在整數關系的模式，所有失真成分都低于-30dBFS信號振幅的噪聲基底。對于采樣率和主時鐘之間為非整數關系的模式，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始出現(xiàn)在頻譜中，這種失真與采樣率或主時鐘沒有直接關系，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。但不會明顯影響視聽效果。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，通過去掉被強音信號屏蔽的信號部分實現(xiàn)壓縮。這兩種情況下可以消除大量數據，而不會明顯犧牲音質。同樣，轉換器也可以產生一些失真，而不會影響音質。
          當人耳聆聽低電平信號時，能夠更好地分辨出信號中的失真，因為沒有強音信號提供屏蔽。對于較低電平信號，MAX9850產生的失真接近或低于噪聲底，仍能保持良好的音質。 

          不管哪種工作模式，MAX9850都能夠獲得較好的信噪比和動態(tài)范圍。由于-60dBFS輸入信號產生的頻譜相同，與工作模式無關，因此，所有模式下的動態(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。對于聲音質量不是很重要的系統(tǒng)，器件可以連接任何系統(tǒng)時鐘，保持良好的工作。對于音頻質量要求較高的系統(tǒng)，建議提供特定的音頻時鐘，使DAC工作在完全同步模式下。
          


          附錄: 測量設置
          

          


          


          
				
            
                
			
							
          
                
			              
              
            
          
		
          
		
          
		
          
		
          
		
          
			
            
				
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