音頻DAC性能研究

摘要：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(nèi)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(shù)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?shù)钠胶?，靈活選擇主時鐘頻率。

整數(shù)模式1

為獲得最佳性能，可以采用主機或從機整數(shù)模式，這兩種模式需要一個頻率恰好為采樣率整數(shù)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(shù)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(shù)模式，MCLK = 12.288MHz, FS = 48kHz, 0dBFS

在所有頻率上，主機整數(shù)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(shù)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(jīng)通過有損算法進行編碼，例如MP3，因此，這種模式產(chǎn)生的失真不會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相同的時鐘、采樣率和輸入信號。由于所有時鐘同步，時鐘之間為整數(shù)倍關系，因此性能沒有受到影響。


圖2. 從機整數(shù)模式。MCLK = 12.288MHz, FS = 48kHz, 0dBFS

非整數(shù)模式

雖然整數(shù)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(shù)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(shù)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(jīng)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(shù)關系：16 x FS，但它是48kHz的整數(shù)倍。因此，采用非整數(shù)倍時鐘能夠很容易產(chǎn)生相應的內(nèi)部時鐘。圖3所示為系統(tǒng)采用12MHz時鐘產(chǎn)生1kHz信號時的頻譜，該信號采樣率為48kHz。與整數(shù)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(shù)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(shù)模式幾乎相當?shù)男阅堋?br>

圖4. 從機非整數(shù)模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, 0dBFS

圖5所示為主機非整數(shù)模式下，工作于12MHz時鐘、輸入數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)和時鐘來自非整數(shù)時鐘，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(shù)模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, 0dBFS

整數(shù)模式下，主從模式之間的轉(zhuǎn)換對性能沒有影響，而非整數(shù)模式下情況則不同，主工作模式轉(zhuǎn)換到從工作模式會進一步降低轉(zhuǎn)換器的性能，如圖6所示。THD+N增加到-65dB。


圖6. 從機非整數(shù)模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, 0dBFS

失真與輸入幅度的函數(shù)

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(zhì)。圖7至圖11顯示了MAX9850在-30dBFS和-60dBFS信號電平下的輸出頻譜。對于主時鐘和采樣率之間存在整數(shù)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(shù)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(shù)模式，MCLK = 12.288MHz, FS = 48kHz, -30dBFS, -60dBFS


圖8. 主機非整數(shù)模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, -30dBFS, -60dBFS


圖9. 從機非整數(shù)模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, -30dBFS, -60dBFS


圖10. 主機非整數(shù)模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, -30dBFS, -60dBFS


圖11. 從機非整數(shù)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(shù)據(jù)，而不會明顯犧牲音質(zhì)。同樣，轉(zhuǎn)換器也可以產(chǎn)生一些失真，而不會影響音質(zhì)。

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(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(zhì)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(zhì)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

電路板	MAX9850EVKIT
信號發(fā)生器	Audio Precision SYS-2722，PSIA-2722位深度: 16位
信號分析儀	Audio Precision SYS-2722，帶有PSIA-2722 22Hz至22kHz帶寬 A加權濾波 FFT輸入A/D: HiRes A/D @ 65536 FFT樣本: 32768 FFT窗口: Blackman-Harris 平均: 4
電源	Agilent E3630A三路輸出直流電源AVDD = 3.0V, PVDD = 3.0V
時鐘源	PSIA-2722產(chǎn)生的12.288MHz 評估板晶體振蕩器產(chǎn)生的12MHz