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卫星接收机SPDIF光纤同轴接口的加装及自制外置音频解码器(续)

时间:2022-05-03 16:00:06 浏览次数:

编者按:这是广东的Stanley Jing先生和山东梁兴光先生又一篇DIY的力作,这也是这两位高手的智慧和实力的结晶,我们从他们合作而暴发出的火花中,看到了他们的能力和水平,发烧友们为他们而高兴,为他们而自豪。我们欢迎更多的人介入到DIY中来。

外置SPDIF DAC解码器

前面我们完成了卫星接收机的SPDIF接口的加装。如果你已经拥有SPDIF DAC解码器,或者你的家庭影院音响功放支持SPDIF 输入,那么你就可以坐下来享受你的DIY的成果了。但如果你还没有SPDIF设备的话,则还必须配置SPDIF DAC解码器组成Hi-Fi音响系统,才能通过卫星接收机的SPDIF输出欣赏到高音质的卫星电视伴音和卫星广播。

市场上SPDIF DAC解码器商品有单体的和内置在音响功放中的两种形式。通常价格在千余元至数干元不等,顶端极品的SPDIF DAC解码器能卖到几万元。

对于我们来讲,购入成品,虽然简单快捷,但也失去了DIY的乐趣和成就感。现在市场上有很多种SPDIF DAC解码器的DIY散装套件出售,价格也不是很贵,几百元就可买到,音频指标不见得低于商品机,甚至某些指标还高于商品机。而且这种散装套件,也方便我们自己更换部分元器件,得到不同的音效特色。这样又会增加不少的乐趣。因此,在多方比较几款SPDIF DAC解码器套件后,我购买了一套SPDIF CS8414+TDA1543 NOS DAC解码器散装套件。

1、DAC解码器构成

简单来说,DAC解码器就是数字音频信号转换为模拟信号的解析转换设备。一部DAC音频解码器并不是单纯的仅由DAC芯片所构成,实际上为了达成数字信号转成模拟信号的目的,必须有一连串的信号准备、整理与转换过程。在数字讯号送到DAC芯片之前的电路,我们可以将它视为“为转换做准备”;而DAC芯片之后的电路,则可以视为“模拟输出调整”。通常称之为外置DAC解码器。外置DAC音频解码器的电路构架,基本上包含下述三个部分:

(1)SPDIF数字接收解调;

(2)DAC解码;

(3)LPF及缓冲输出。

●SPDIF数字接收解调

SPDIF数字接收解调分为接收和解调两部分。接收部分是把前级送来的SPDIF信号,通过接收转换电路变换为TTL电平,然后送至解调部分。家庭里常用的SPDIF接收方式有TOSLINK(光纤)、COAXIAL (同轴)等。通常同轴信号先输入到一个数字脉冲变压器再送入数字接收芯片(Digital Receive IC)再进行整形放大;光纤则通过光纤接收模块进行光电换能,输出TTL电平送至数字接收芯片。数字接收芯片对转换成TTL电平的SPDIF信号进行解调处理并通过锁相环(PLL)实现时钟恢复,还原输出BCK(位时钟),DATA(数据),LRCK(左右声道时钟)信号。解调电路最主要的指标是时基抖动(Jitter),时基抖动越小越好。HI-END级的DAC解码器常采用两级PLL电路,第一PLL先对时钟信号进行恢复,并且将这个一次恢复时钟信号再送入第二个PLL中进行进一步的锁相处理,利用二次PLL最终对时钟信号进行精确恢复并对数据进行重整。两级PLL电路能提供比单级的PLL电路精度更高的时钟信号,可以有效地降低Jitter。目前带有PLL的解调芯片有美国CRYSTAL公司的CS8412、CS8414,日本的YAMAHA公司的YM3623,日本三菱的M65810等。

在此多说几句,为了大家易于理解,先确认对数字音频影响极大的一个概念:Jitter。所谓Jitter就是一种抖动,Jitter(抖动)的一般定义可以是“一个事件对其理想出现的短暂偏离”。在数字传输系统中,抖动被定义为数字信号在时间上偏离其理想位置的短暂变动。根据产生原因,Jitter可分成两种主要类型:随机Jitter和确定性Jitter。对于数字音频系统而言,数字信号总是和一个参考时钟信号一起传送和处理,如本文探讨的数字音频传输格式:SPDIF,它在一个信号中同时传送数据和时钟。数字音频的时钟信号是一种方波(Square-Wave),并且在频率以及振幅上被进行了修正。如果信号传输所用的时间不相等,那么就产生了时基抖动,Jitter最明显的表象就是时基抖动。时基抖动引起基本频率在宽度上的散开。另外,无论是随机还是确定性的抖动的频率都将增加噪音,这些会直接反映在音频信号的信噪比(SNR)和失真度(THD+N)上。Jitter(时基误差)一词并不是数字音频系统所独有的,Jitter存在于任何数字电路系统上,在数字电路系统上,只要Jitter的“量”在可容忍的范围内,系统都可以正常运作。

●DAC解码

音频DAC解码部分,也就是音频信号的数模转换器。这部分是外置DAC的心脏。数模转换就是将离散的数字量转换为连接变化的模拟量,实现该功能的电路或器件称为数模转换电路,通常称为D/A转换器或DAC(Digital Analog Converter)。目前常用的DAC按工作方式可分为两大类。一类是多比特DAC,另一类是1比特DAC。

最原始的DAC电路由以下几部分构成:参考电压源、求和运算放大器、权产生电路网络、移位寄存器和时钟基准产生电路。移位寄存器的作用是将输入的数字信号寄存在其输出端,当其进行转换时输入的数据变化不会引其输出的不稳定。时钟基准产生电路主要保证输入数字信号的相位特性在转换过程中不会混乱,时钟基准的抖动(jitter)会制造高频噪音。二进制数据的权系数产生,依靠的是电阻,数据长度有多少位,电阻相应就得有多少个。如输入的数据格式是16bit,即16位数据长度,所以要采用16只权系数电阻,对应16位中的每一位。参考电压源依次经过每个权电阻的电流和输入数据每位的电流进行加权求和即可得出模拟信号。这就是多比特DAC。多比特是通过内部精密的电阻网络进行电流求和,并最终转换为模拟信号,好处是具有高的动态跟随能力和高的动态范围,但是电阻的精度决定了多比特转换器的精度,即便是理想的电阻,其热噪音形成的阻值波动都会影响转换精度。多比特系统目前广泛采用的是R-2R梯形电阻网络,是建立一组由阻值是R和2R的电阻所构成的梯形转换网路,每阶T网络对应转换数据的每一位,有相同数量的模拟开关切换梯形转换网路的接入或断开,参考电压源经过受控于输入数据切换的R-2R梯形电阻网络,其电流即为模拟信号。由于构成R-2R梯形电阻网络的电阻阻值仅有R和2R两种,制造难度较之权电流相加法DAC制造难度有所降低,但即便如此,使用理想状态的电阻达到的转换精度也不会达到24bits,目前23bits转换精度已经是现代技术所能达到的极限。多比特系统的优点是转换的精确度高、转换速度快、动态大等等,所以目前几乎所有的高价位音响系统都仍然采用多Bit的数字/模拟转换芯片。多Bit的数字/模拟转换芯片,由于片内电阻的精度及误差要求很高,所以制造成本很高,芯片售价自然也不便宜。

单比特的原理:依靠数学运算的方法在数字音频的脉冲代码信号(PCM)中插入过取样点,这些插入的取样点与原信号通过积分电路进行比较,数值大的就定为1,数值小的就定为0,原先的PCM信号就变成了只有1和0的数据流,1代表数据流较密集,0代表数据流较稀疏,这就是脉冲密度调制信号(PDM),脉冲密度调制信号经过一个开关电容网络构成的低通滤波器,1就转换为高电压信号,0就转换为低电压信号,然后通过级联积分,最终转换为模拟信号。插入取样信号会制造出许多高频噪音,所以还要经过一个噪音整形电路处理,将这些噪音推移到人耳听不到的频域。1bit的优点在于转换精度不受制于电阻,转换精度可以超过24bits,成本也低,但是设计过取样和噪音整形的电路难度很大。因为电阻在精密程度和热噪音上对音质影响相对小些,而1比特的电容和积分电路对音质影响则相对大些。对于数字音频的数据格式,单从声音素质上应该说多比特优于1比特,多比特对数字音频信号直接进行转换,而单比特还要经过一个PCM信号转换为PDM信号的过程,还要经过开关电容的充放电过程,虽然从理论上来说,最终得到模拟信号的速度和多比特相比不会慢到可以比较的程度,但是实际听感上,单比特不如多比特听起来更有活力,单比特似乎要慢一点,中频厚一点,音色相对厚重一些。

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