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音频DAC性能研究
发布时间：2018/8/25 10:32:00 来源：永阜康科技
摘要：MAX9850音频DAC可以工作在较宽的主时钟频率范围，而具有不同的性能表现。通过选择不同的主时钟频率，设计人员可以在性能和简化设计之间做出平衡。本应用笔记分析不同主时钟频率与采样率之比对应的MAX9850性能，说明主时钟频率如何影响器件性能。
MAX9850是一款具备独特时钟电路的音频DAC，该时钟电路允许器件在较宽的主时钟频率范围内获得很好的音频性能。典型的音频DAC需要主时钟频MAX9850是一款具备独特时钟电路的音频DAC，该时钟电路允许器件在较宽的主时钟频率范围内获得很好的音频性能。典型的音频DAC需要主时钟频率恰好是采样率的整数倍。例如，如果采样率是48kHz，那么最常用的主时钟是48kHz x 256 = 12.288MHz。MAX9850可以工作在标准音频时钟，也可以工作在常用的系统时钟，例如12MHz，但性能有所降低。MAX9850具备宽范围的主时钟频率，使设计人员能够在性能和简化设计之间做出适当的平衡，灵活选择主时钟频率。
图1. 主机整数模式，MCLK = 12.288MHz, FS = 48kHz, 0dBFS
在所有频率上，主机整数模式的失真振幅等于或小于-90dB，得到的THD+N是-85dB。所有失真都表现为谐波，这个等级的信号对于大多数人来说很难听到。由于MAX9850用于回放系统的音频恢复，这些音频已经通过有损算法进行编码，例如MP3，因此，这种模式产生的失真不会制约回放链路的音质。
图2中，MAX9850工作在从机模式，采用与图1相同的时钟、采样率和输入信号。由于所有时钟同步，时钟之间为整数倍关系，因此性能没有受到影响。
图2. 从机整数模式。MCLK = 12.288MHz, FS = 48kHz, 0dBFS
图3. 主机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, 0dBFS
切换到从机模式(图4)可消除非谐波失真成分，提供与整数模式几乎相当的性能。
图4. 从机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, 0dBFS
图5所示为主机非整数模式下，工作于12MHz时钟、输入数据采用44.1kHz采样时，MAX9850的输出FFT。虽然采样率和主时钟不是整数倍关系，MAX9850仍然能够再现1kHz正弦波，性能差异主要表现在失真较高。由于DAC的工作数据和时钟来自非整数时钟，因此，所产生的失真不全是谐波失真。在这种模式下，测得的THD+N大约是-71dB。
图5. 主机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, 0dBFS
整数模式下，主从模式之间的转换对性能没有影响，而非整数模式下情况则不同，主工作模式转换到从工作模式会进一步降低转换器的性能，如图6所示。THD+N增加到-65dB。
图6. 从机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, 0dBFS
图7. 主/从、整数模式，MCLK = 12.288MHz, FS = 48kHz, -30dBFS, -60dBFS
图8. 主机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, -30dBFS, -60dBFS
图9. 从机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, -30dBFS, -60dBFS
图10. 主机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, -30dBFS, -60dBFS
图11. 从机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, -30dBFS, -60dBFS
当人耳聆听低电平信号时，能够更好地分辨出信号中的失真，因为没有强音信号提供屏蔽。对于较低电平信号，MAX9850产生的失真接近或低于噪声底，仍能保持良好的音质。
不管哪种工作模式，MAX9850都能够获得较好的信噪比和动态范围。由于-60dBFS输入信号产生的频谱相同，与工作模式无关，因此，所有模式下的动态范围都一样。同样，所有工作模式的噪声底一样，因此，所有模式的信噪比也一样。
即使在性能最差的模式下，MAX9850也可以得到有效结果。对于声音质量不是很重要的系统，器件可以连接任何系统时钟，保持良好的工作。对于音频质量要求较高的系统，建议提供特定的音频时钟，使DAC工作在完全同步模式下。
MAX9850是一款具备独特时钟电路的音频DAC，该时钟电路允许器件在较宽的主时钟频率范围内获得很好的音频性能。典型的音频DAC需要主时钟频MAX9850是一款具备独特时钟电路的音频DAC，该时钟电路允许器件在较宽的主时钟频率范围内获得很好的音频性能。典型的音频DAC需要主时钟频率恰好是采样率的整数倍。例如，如果采样率是48kHz，那么最常用的主时钟是48kHz x 256 = 12.288MHz。MAX9850可以工作在标准音频时钟，也可以工作在常用的系统时钟，例如12MHz，但性能有所降低。MAX9850具备宽范围的主时钟频率，使设计人员能够在性能和简化设计之间做出适当的平衡，灵活选择主时钟频率。
整数模式¹
为获得最佳性能，可以采用主机或从机整数模式，这两种模式需要一个频率恰好为采样率整数倍的主时钟。主机模式设置MAX9850输出字和位时钟；从机模式设置MAX9850输入字和位时钟。图1显示了MAX9850工作在主机整数模式下的FFT。输入信号是1kHz、满摆幅正弦信号，采样率为48kHz。主时钟是同步的12.288MHz信号。图1. 主机整数模式，MCLK = 12.288MHz, FS = 48kHz, 0dBFS
在所有频率上，主机整数模式的失真振幅等于或小于-90dB，得到的THD+N是-85dB。所有失真都表现为谐波，这个等级的信号对于大多数人来说很难听到。由于MAX9850用于回放系统的音频恢复，这些音频已经通过有损算法进行编码，例如MP3，因此，这种模式产生的失真不会制约回放链路的音质。
图2中，MAX9850工作在从机模式，采用与图1相同的时钟、采样率和输入信号。由于所有时钟同步，时钟之间为整数倍关系，因此性能没有受到影响。
图2. 从机整数模式。MCLK = 12.288MHz, FS = 48kHz, 0dBFS
非整数模式
虽然整数模式提供最好的性能，但是它需要的时钟频率必须恰好是采样率的整数倍(如采样率为FS，时钟频率为16 x FS)，必须准确无误。系统其它电路一般不会使用整数倍关系的时钟频率。在许多便携式音频系统中，常用的时钟频率是12MHz，因为USB使用该频率。由于系统已经提供了这一时钟，因此，相对于专用时钟, 使用音频时钟将简化系统设计。尽管12MHz不是所有音频采样率的整倍数关系：16 x FS，但它是48kHz的整数倍。因此，采用非整数倍时钟能够很容易产生相应的内部时钟。图3所示为系统采用12MHz时钟产生1kHz信号时的频谱，该信号采样率为48kHz。与整数模式相比，MAX9850在这种模式下性能有所下降，但不明显。最大谐波仍然低于信号振幅大约90dB，但是在信号中出现了其它的非谐波失真成分，THD+N降至-83dB。图3. 主机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, 0dBFS
切换到从机模式(图4)可消除非谐波失真成分，提供与整数模式几乎相当的性能。
图4. 从机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, 0dBFS
图5所示为主机非整数模式下，工作于12MHz时钟、输入数据采用44.1kHz采样时，MAX9850的输出FFT。虽然采样率和主时钟不是整数倍关系，MAX9850仍然能够再现1kHz正弦波，性能差异主要表现在失真较高。由于DAC的工作数据和时钟来自非整数时钟，因此，所产生的失真不全是谐波失真。在这种模式下，测得的THD+N大约是-71dB。
图5. 主机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, 0dBFS
整数模式下，主从模式之间的转换对性能没有影响，而非整数模式下情况则不同，主工作模式转换到从工作模式会进一步降低转换器的性能，如图6所示。THD+N增加到-65dB。
图6. 从机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, 0dBFS
失真与输入幅度的函数
虽然在较大的信号幅度下，信号能够掩盖一些失真。但是，随着信号幅度的降低，必须降低失真以保持良好的音质。图7至图11显示了MAX9850在-30dBFS和-60dBFS信号电平下的输出频谱。对于主时钟和采样率之间存在整数关系的模式，所有失真成分都低于-30dBFS信号振幅的噪声基底。对于采样率和主时钟之间为非整数关系的模式，例如44.1kHz和12MHz，仅残留有较低幅度的失真。对于-60dBFS输入，这种结构中存在的固有失真开始出现在频谱中，这种失真与采样率或主时钟没有直接关系，结果在所有模式中相同。图7. 主/从、整数模式，MCLK = 12.288MHz, FS = 48kHz, -30dBFS, -60dBFS
图8. 主机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, -30dBFS, -60dBFS
图9. 从机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 48kHz, -30dBFS, -60dBFS
图10. 主机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, -30dBFS, -60dBFS
图11. 从机非整数模式，MCLK = 12MHz, FS = 44.1kHz, -30dBFS, -60dBFS
结论
满摆幅输入信号下，某些模式下能够测量到明显的失真。但不会明显影响视听效果。这是由于人耳对强音敏感，而忽略了幅度较小的失真分量。许多有损压缩算法(例如，MP3和AAC)便利用了这一概念，通过去掉被强音信号屏蔽的信号部分实现压缩。这两种情况下可以消除大量数据，而不会明显牺牲音质。同样，转换器也可以产生一些失真，而不会影响音质。当人耳聆听低电平信号时，能够更好地分辨出信号中的失真，因为没有强音信号提供屏蔽。对于较低电平信号，MAX9850产生的失真接近或低于噪声底，仍能保持良好的音质。
不管哪种工作模式，MAX9850都能够获得较好的信噪比和动态范围。由于-60dBFS输入信号产生的频谱相同，与工作模式无关，因此，所有模式下的动态范围都一样。同样，所有工作模式的噪声底一样，因此，所有模式的信噪比也一样。
即使在性能最差的模式下，MAX9850也可以得到有效结果。对于声音质量不是很重要的系统，器件可以连接任何系统时钟，保持良好的工作。对于音频质量要求较高的系统，建议提供特定的音频时钟，使DAC工作在完全同步模式下。
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