信号链基础知识:谁是音频时钟的“老板”?

　　过去，我们在讨论音频话题时，偶尔会提及 I2S。我在以前的一些文章中提到过 I2S，其他人在做音频研究时也都会提到它。简而言之，它是一种将立体声数据从一端传输至另一端的同步方法。

　　大多数人认为 I2S 有三种信号：

　　1.数据：输入或者输出数据

　　2.位时钟 (Bitclock，BCK)：确立数据流中两个相邻位之间边界的信号

　　3.左/右时钟 (LRCK)/字时钟 (Wordclock)：一个在采样速率下运行、占空比为 50% 的慢时钟，它确立数据流中两条相邻通道(左和右)之间的边界。

　　I2S的幕后英雄是主时钟 (MCK)，也称作系统时钟 (SCK)，它常常被数字信号处理器 (DSP) 程序员和其他处理器爱好者们忽略。主时钟 (MCK/SCK)，通常为一个64、128、256和512倍采样速率 (FS) 的时钟。它可以由一个输入引脚直接提供，也可以通过一个锁相环路 (PLL) 在某些器件内部产生。

　　一般而言，DSP不需要音频主时钟，因为它们能够以一种完全不同的速率对数据进行处理，然后在BCK和LRCK的驱动下，让数据以某种速率进入输出缓冲器(或者通过输入缓冲器接收数据)。

　　如果您能暂时将注意力从您的处理器上移开，您会发现音频主时钟重要得多。大多数MCK/SCK输入的音频转换器，都要求时钟同步，而有一些则允许异相位。这就意味着，它们需要由相同的高速时钟来提供，然后被除小。我接触过的一些客户会突发灵感地告诉我：“我的ADC需要一个MCK，但它离我的DAC太远。因此，我要在每个转换器旁边放置一个晶体……”有这种想法可以理解，但请您“千万别这么做!”

　　您在购买晶体时，无法保证它刚好为48.000 kHz。您的模数转换器 (ADC) 晶体的运行精确度可能会为+5%，而数模转换器 (DAC) 的运行精确度可能为–5%。这样的精确度，会给您的设计带来灾难性的后果!这是为什么呢，下面将为您娓娓道来。

　　用于 I2S

　　用于音频ADC的主时钟

　　如图1所示，高速主时钟(例如：24.576 MHz时钟)用于驱动ADC的过采样调制器。之后，来自过采样调制器的数据被消减分解成LRCK给定的采样速率。

　　当ADC运行在主模式(生成BCK和LRCK，作为输出)下时，ADC只是对MCK/SCK进行划分，产生LRCK和 CK信号。这就对啦!LRCK/BCK和主时钟被同步—相位也可能同步(除非它是一个特殊分割器)。

　　

 

　　图1 通用ADC结构图

　　如果作为一个从器件，并且主时钟不同步，则它产生的数据会过多或者过少，以至于数字抽取器无法刚好适合于输出字。在这种条件下，许多ADC会拒绝流传输数据。

　　DAC也是如此。图2显示了一个高级DAC结构图。此处，需要通过MCK/SCK运行内插器，而MCK/SCK同时还驱动△∑调制器。如果MCK/SCK不是采样速率的整倍数 (64/128/256/512)，则在△∑调制器输出端可能会出现错误数据。

　　

 

　　图2 通用DAC结构图

　　我在哪里/如何生成MCK/SCK呢?

　　在当今的工业应用中，CMOS振荡器由许多晶体振荡器支持，并紧靠这些晶体振荡器。它们都拥有非常好的精确度和较低的抖动。偶尔会用到压控振荡器　(VCO)，但它们会受到其输出抖动的困扰。

　　许多现代的音频转换器现在都集成了一个PLL，以通过慢BCK产生MCK。这样做很有效。但是，您应该注意，使用PLL时始终都会有产生抖动的可能，从而降低了音频性能。

　　另外，我建议，如果在晶体源驱动ADC或是DAC两者之间选择，请您选择通过一个晶体产生源来运行ADC。如果输入很糟糕，那么您做什么都于事无补!(就像您不可能把烂泥打磨光亮!)

　　因此，我的建议遵循的原则是：

　　1、如果转换器为一个I2S从器件，则您必须通过相同源(如果转换器带有，则可以依靠内部 PLL)，提供所有三个I2S时钟(MCK、BCK和LRCK)。

　　2、如果转换器为一个I2S主器件，则请确定能够提供一个可靠的无抖动MCK源。然后，让转换器自己分配。在可能的情况下，让ADC通过一个可靠的低抖动MCK源在主模式下运行。这样做可以确保最低抖动和最小高频失真。