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数字接口抖动回复与量测要领
 

【作者: 陳建誠】2002年10月05日 星期六

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一般而言,若抖动程度与译码的脉冲长度比起来较小时,AES3数字音频接收器就应该可以有效地将具有抖动的接口信号译码。但随着抖动的程度增加,接收器开始出现不正确的译码信号,若抖动持续增加,接着就无法译码,所以会出现锁不住信号或是有时无声的情形。在接收器开始产生错误前,最高的抖动量就被称为装置的抖动容差。


PLL具有频率回复的功能,具有低通的特性,其特性为类似于机械性惯性转轮,它反应或者是齿轮的改变,比转角频率的速率慢时,会过滤出较快的改变。之后,对于接收器转角频率之上的抖动而言,抖动容差是独立的频率,但是当频率改变的速率(抖动频率)降低时,接收器就能够逐渐地跟随着这些改变。这意思是若在较低的抖动速率下,接收器就能够渐渐地增加抖动量,因此抖动容差就会升高。


抖动频率接近转角频率是有可能的,就像是一个阻尼不足的设计,所以抖动容差的降低是值得注意的。这种情况的发生是因为进来的数据转换时间偏差,和接收器所预估的数据转换时间的不同,因此造成接收器内的共振。但如果接收器不追踪抖动的话,结果比实际情形还差。


AES3接口所定义的抖动容差样版,如(图一)所示。容差的单位是以UI来定义,在X轴上所表示的,是正弦曲线的抖动频率,图中的线表示接收器抖动容差所需要的最低限度。值得注意的是:这个样版所隐藏的含意表示接收器应该有个大概在8 kHz以上转角频率,这表示接收器PLL的衰减不可能低于这个频率,所以,它将会追踪抖动并且让它通过,如果需要有效抖动衰减的话,那么就一定要使用另一个较低转角频率的PLL。


《图一 AES3抖动容差样版》
《图一 AES3抖动容差样版》

抖动转移函数及抖动增益

当装置与另一个频率同步时,像是word clock,数字输入,或是视频同步参考讯号,外部来源的抖动可以通过装置的输出;所以,装置的抖动是由这转移抖动与本质抖动所共同贡献的。


虽然输入与输出抖动间的关系非常复杂,不过简单的线性过程的仿真转换,仍是很有帮助的。所以抖动转移函数是一个表示输入与输出间抖动的关系,或是抖动增益与抖动频率间关系。


由(图二)得知,由于PLL有个100Hz的转角频率,所以量测出来的抖动转移函数,在100Hz时会有转折产生。需要注意的是,低于这个转角频率时,抖动增益大概是0dB。高于这转角频率,PLL会衰减这抖动,最初是在6dB per octave的斜率。如(图二),装置的设计上有一个二阶的Loop滤波器,其3dB点在1kHz地方,这会产生一个高于这频率18dB per octave的斜率。


《图二 抖动转移函数》
《图二 抖动转移函数》

值得注意的是,当频率低于这PLL的转角时,这个增益会有一个大约是0.5dB的峰值,通常抖动频率低于这转角频率时,会有一个最大的增益,称为抖动峰值,它是个在PLL内,反馈回路中相位特性的现象。对于抖动增益,AES3标准将较高限制设定在+2dB。


非线性抖动行为

在非线性的输入与输出抖动关系,通常是无法用线性抖动转换分析来解释的。由于相位检测器经常会有个所谓的死角,在这个地方它们对于小相位偏差是不敏感的。这结果会造成,PLL输出产生漂移,直到相位检测器能侦测到变化,并对飘移的相位做修正。这时漂移就会来来回回的被修正,产生抖动。


另一个非线型抖动的途径,是在PLL范围内,它是藉由低频技巧取样,以产生高频抖动的假像。例如,为了锁住PLL,若一个48kHz frame rate含有47kHz抖动成分的AES3信号,用来产生一个48kHz速率的内部频率信号。这一个47kHz信号,可以化成为更低频率的1kHz,在那里它可能不会衰减。当量测一个抖动转移函数时,这个特性将可使它显现出,在倍数的frame rate下其增益会最大。


抖动累加

在数字音频装置和数字音频装置间会有一短的电路连接。在电路的末端,有些对抖动有贡献。每个装置有其本质抖动,而且每个相互链接的电缆,电缆感应也会贡献一些抖动,在每个阶段都有可能会有一些抖动增加或减少的情况发生。这个过程称我们称为抖动累加。这影响是随着个别装置的抖动特性,及在每个阶段数据形式的不同而变化,但是在一些情况下,若带有一些“异常“信号时,抖动的途径可能会将全部结合,成为一个不适当的做法。


若装置的频率恢复系统里的电路,带有些微不正常的信号时,则在每个阶段将会有相同的影响。如同在(表一)显示那样,只是经过几个相似的阶段后,这就可以累积到一个非常大的抖动量。


《表一 抖动累加》
《表一 抖动累加》

若全部装置的抖动频率,都低于抖动转移函数的转角频率时,则抖动衰减就不会发生,也就是如表一的计算。简单的假设,在每个阶段,所有的装置产生出相同的抖动量J,是由一团电缆引起的抖动与本质抖动所造成;同时假设每个装置从前个阶段经由相同的增加扩大抖动。需注意的是抖动的增加只可能是在抖动转移函数内接近峰值的地方。


表一列出所有的输出抖动,在三个电路阶段中产生输出的抖动,是J的倍数:如第一列表示在每个阶段有0dB增加,输出抖动就是单纯每个阶段所产生的抖动总和。(这些抖动量是峰值,所以它们会累加)。要注意的是这些频率是发生在低于转角频率;若频率发生在高于转角频率时,输入抖动将会衰减,所以最后的输出抖动会成长的比较慢。


在第二列以后,大于0dB增加时,表示抖动会受转移函数峰值的影响;如果峰值存在的话,它只会在靠近PLL转角频率时才发生。在这里若抖动是宽带带时,它只有一小部分会被放大,而且在这峰值会有一点影响。不过,有途径可以将抖动集中在峰值的区域内。


首先,AES3数据抖动可以由窄的频谱所组成,例如:抖动与信号的极性相一致。这情况的发生是因为信号接近0,重要的位不超出数据一起改变的范围,像是符号位的延长。如果接口的音频信号在一种频率下是低阶音调,那么电缆感应的抖动会在这个频率下,倾向于那个频率的方波。偶而,频谱的峰值在抖动转移函数中,可以与峰值相符合。


在一连串使用频率回复系统装置中,信号在每个阶段会有相同的影响。在表一中,6dB是表示在仪器内被发现的峰值大小,早在问题被广泛了解前,就已经被设计出来了。如同表中所表示那样,这可以在一些相似的阶段后,引导出相当大数量的抖动累积。


抖动累积程度的普通表征是仪器朝向这串连的尾端,在机率很小的情况下遗失数据,或是锁住。不幸的是,在这些情况下,维修工程师却很难再重新做一次。


自1997年后,AES3预期未来会提出两个条款,这是为了因应潜在的抖动累积问题。最主要的规定,是所有的装置在任何频率,增益都应该要少于2dB的正弦曲线抖动。


其次,要有个标准的抖动衰减规格,必须藉由装置要求衰减接口抖动来达成,至少在1kHz以上的频率时,要衰减6dB以上。这频率比抖动容差样版转角频率还要低出许多,所以这些装置需要一个传输频率,用来区分数据恢复频率,并测定抖动容差。


转换器的抖动量测

抖动存在于所有的数字信号中,而它只不过是振幅的问题。然而,界面抖动是两个数字装置之间信号上的抖动。取样抖动是A/D或是D/A转换器频率内的抖动。界面上的抖动所引起的衰减取决于界面接收器的设计。若衰减是由取样频率抖动所引起,则是取决于转换器的设计。对于设计较好的仪器,会在介于界面频率回复与转换器频率产生间有一个层级,过滤出一些高于截止频率的抖动,进而改善装置上的音频性能。一般人会假设当界面有较多的抖动时,会比抖动较少的表现差些,这是不正确的观念。同样地,若假设转换器有较高抖动频率时,表现会比较低抖动的差,也是不正确的。


抖动在界面上,或是在D/A转换器频率上,可能会表现相同的阶层在重建的信号上。然而,这是可以靠着量测接口抖动与重建信号输出的衰减来得知。我们常说,抖动是相位或是时间调变所影响,产生在音频信号上的边缘。对于正弦波的抖动,信号上的边缘通常也会是正弦曲线,而且他们的振幅会与抖动强度成比例,如(图三)所示。对于信号的边缘的振幅,抖动振幅的转移函数像是抖动频率的功能,可能被特性化。对于随机抖动,信号边缘也会是随机,会产生一个被升高的噪音底部。


在A/D转换器频率,抖动有可能在取样信号上出现相同的振幅。然而,这是可以靠量测频率的抖动,及量测数字信号输出的衰减来判断。抖动会在数字信号上的信号边缘产生调变。以D/A的例子来说,正弦波抖动会产生正弦曲线边缘频带,这可以用定量的方式来测量抖动。对于转移函数的边缘频带大小,和边缘频带对noise floor的影响也可以使用前述方式来量测。


《图三 5K的信号频谱含有3KHz正弦抖动》
《图三 5K的信号频谱含有3KHz正弦抖动》

改变不同的抖动频率信号,对待测物而言,会有重要的影响。在待测物中可以靠接收电路的滤波器来降低抖动。由于锁相回路中,有限制边频带的优点,会过滤出高频率抖动的元素。这行为有可能是非线性,取决于抖动振幅,由于很多相位侦测器对于小相位偏差有死角,这有时反而容易帮助锁住噪音信号。


若在输入的参考信号上有抖动的话,会影响A/D转换的性能,如果是普通情况下,装置从参考输入信号取出它的取样频率。如果这装置并没有参考输入,像是便宜的处理仪器,在数字音频输入上的抖动,将会是对于这测试有关的参数。要适当地描述A/D转换器的特性,必须用一个低失真仿真信号去刺激它,并同时使用数字音频输入与抖动的数字信号当它的参考输入,这结构如(图四)所示。量测转换器的特性只是与模拟信号输入,或是数字信号输入的抖动,并不能表示这音频衰减。一个中价位结合模拟及数字的信号处理器,用来测试待测物时,当模拟输入为997Hz正弦波时,在它的数字输入,被刺激35ns的抖动。(图五)表示THD+N抖动频率的功能。这失真被发现在抖动频率介于5 kHz到20 kHz时有上升。


《图四 评估装置对抖动的影响性》
《图四 评估装置对抖动的影响性》
《图五 抖动频率所产生的影响》
《图五 抖动频率所产生的影响》

在数字信号输入的抖动或是参考输入,同样地影响D/A性能。适当地描述一个D/A的性能,必须透过抖动的数字音频信号来刺激D/A,这个传送音频信息如(图六)所示。一般来说,抖动从数字输入到D/A频率电路,但转换器可能比较会受到参考输入的影响(如果信号是内在的重给频率当参考频率)。在测试下,使用相同的装置,如上个例子,D/A失真被量测出如抖动频率的功能。再一次,数字输入为35 ns的正弦波抖动,THD+N量测出如抖动频率的功能。这特性表示在(图七),对于抖动高于500 Hz快速地衰减。


《图六 D/A抖动灵敏度的特性描述》
《图六 D/A抖动灵敏度的特性描述》

《图七 不同信号频率VS不同的抖动频率的THD+N》
《图七 不同信号频率VS不同的抖动频率的THD+N》

结论

数字输入上的抖动,会影响模拟到模拟系统中的性能,它会透过内部的取样频率来影响。最后,如何使频率恢复电路可以从接口抽取所需的稳态的频率?如果这仪器包含有任何采样率转换,可能会影响数字处理仪器对数字音频特性的量测。在数字领域中,经由失真仪,他们可以用很多的方法来测试D/A转换器的特性。如果没有采样率转换,这数字输入抖动在通过输出会有些许增加或减少。如果抖动增加是过度的情形,这可能造成界面问题。过度的增加抖动可能造成最后数字对模拟转换层级的性能损失,但是它并不会引起在它本身装置内任何音频衰减。


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