Clock Design
在数字音频系统中,时钟质量决定音质上限。依托大量实测,揭示了影响数字声效的核心指标与底层设计真相
在研发过程中,赛耳之声大量测试结果表明,采用单一同源时钟,通过PLL系统处理后为整个系统提供各种所需的时钟信号可以获得最佳的声音。
在研发测试过程中,我们与晶振供应商密切配合。大量测试数据表明,相同相位噪声的晶振可能有不同的短稳和长稳指标,同样相同短稳和长稳指标的晶振也可能有不同的相位噪声指标。我们发现拥有更好的短稳和长稳指标的晶振拥有更好的声音表现,而相位噪声指标对声音的影响微乎其微。当然在一般情况下,相位噪声指标好的晶振往往拥有更好的短稳和长稳指标。这就是为何很多测试结果中,会误认为相位噪声指标越好,声音越好。
有些PLL系统并没有锁定带宽的设定,但是在我们的测试中发现,锁定带宽对声音的影响非常明显。CelCLK II PLL系统中,可以通过软件设定PLL系统的锁定带宽。这一设定一方面会明显影响PLL系统锁定的速度,另外一方面也会明显影响整个系统的声音表现。1Hz锁定带宽具有最佳的声音表现,但是在有些条件下,1Hz锁定带宽会导致PLL系统时钟输出时间过长,从而导致系统的稳定性下降,甚至无法启动。往往VCO时钟精度越高,锁定速度越快,因此在使用普通VCO参考时钟的情况下,赛耳之声会先采用100Hz锁定带宽,快速输出时钟信号,后续通过软件调整为1Hz锁定带宽,以获得最佳音质。
实际上短稳和长稳测试结果都会对声音产生明显影响。在CelCLK II中,有两个时钟源,参考时钟和VCO时钟。参考时钟主要决定了CelCLK II的短期稳定性,参考时钟、VCO时钟和锁定带宽共同决定PLL系统的长期稳定性。因此在使用1Hz锁定、同时使用优秀的VCO时钟和参考时钟的情况,可以同时获得优秀的短期稳定性和长期稳定性,从而获得更好的声音表现。
在广泛测试了行业内的主要PLL方案之后,赛耳之声最终采用了支持1Hz带宽锁定、使用VCO参考源与外置参考时钟的PLL解决方案,设计了第二代的CelCLK II PLL系统,从而获得了几个关键技术要点的支持。
1Hz带宽锁定是PLL系统得以获得平直长期稳定性测试曲线的关键技术,是声音质量提升的核心技术。
当使用独立的VCO参考时钟后,整个PLL系统的成本会明显增加,但是获得了几个方面的优势。
交换机/服务器等数字系统与解码器等产品不同,对于上电时间、时钟输入时间有明确的要求。传统时钟方案中,时钟给出时间伴随不同的晶振会有所差异,从而导致了系统稳定性的不足,同时在时钟切换过程中可能会引发这些数字系统的故障。而使用独立VCO时钟后,系统时钟输入时间得到保证,并且在任何状态下都有稳定的时钟输出,从而保证了系统的稳定工作。
VCO参考时钟的存在可以辅助PLL系统得到更加稳定时钟抖动。在外置参考时钟存在的情况下可以发挥1+1>2的优势,使得整个时钟系统的长期稳定性测试曲线更加平直,从而保证声音质量。
NW系列HiFi交换机的时钟均使用了CelCLK II PLL系统,内部提供一颗OCXO恒温晶振作为参考源,其中NWX采用了秒稳8e-13的低秒稳系列晶振,相位噪声-120dB@1Hz;NW330采用了1e-10、-95dB@1Hz的OCXO。VCO时钟根据NW系列交换机等级的不同,采用的时钟等级也有所差异。NWX采用了-85dB@1Hz、1e-11@1s、50MHz的OCXO时钟作为VCO时钟,NW330则采用了52M晶体作为VCO时钟。
对于NWX HiFi时钟交换机而言,值得关注的是,在四路时钟输出中提供了两个SMA接口。在音频时钟领域,正弦波和方波的争论一直存在,赛耳之声认为,在合适的方式下,方波优于正弦波,但是前提条件是传输带宽必须足够。BNC接口下,通常的传输带宽只有3GHz,传输方波效果并不理想,而SMA接口传输带宽高达18GHz,为方波传输提供了有力保证。因此NWX搭配NS系列音乐服务器时,推荐采用SMA接口搭配高等级SMA专业时钟测试线,实现高质量的方波时钟传输。
除NS6不采用额外的时钟设计外,其他NS系列音乐服务器的时钟均使用了CelCLK II PLL系统。考虑到尽可能降低系统热噪声,NS系统没有采用单独的内置参考时钟,采用了一颗-85dB@1Hz、1e-11@1s、50MHz的OCXO晶振作为VCO时钟,同时PLL带宽锁定设置为1Hz。
NS系列音乐服务器的时钟输入不仅提供了常用的BNC接口,还单独提供了一个SMA接口,该SMA接口没有进行输入时钟的波形转换,只能使用方波输入,其目的是减少时钟信号转换带来的损失。因此SMA接口搭配高等级SMA专业时钟测试线,可以高质量、无损失的获得NWX SMA接口输出的10MHz方波信号。相比其他传统方案,这一连接方式实现了极高的时钟传输性能。
NA系列音乐无线接入点的时钟使用了CelCLK II PLL系统。NA采用了一颗±2.5ppm、52MHz的无源晶体作为VCO时钟,为了满足ARM系统严格的时序要求,PLL带宽锁定初始设置为100Hz,在稳定输出时钟信号后调整为1Hz锁定,从而同时满足严格的上电时序要求和优秀的声音回放质量。
NA系列音乐无线接入点的时钟输入提供了常用的BNC接口,当获得高品质的外部时钟信号输入时可以获得更高的声音回放质量。
系统中建议采用NWX作为时钟源,通过SMA接口连接NS系列音乐服务器,通过BNC接口连接NA等其他需要时钟输入的设备。