CD播放机中使用的DAC7高性能1比特的PDM和PEMWord下载.docx
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概是看到飞利浦自己并不使用SAA7320,
于是对PDM1比特DAC丧失了信心。
SAA7321是飞利浦1989年开发的第二
图1飞利浦SAA7350的电路方框图
来制作在另外一块半导体芯片上。
TDA1547也被人称作
DAC7,图4为TDA1547内部框图,是一块立体声D/A变换
IC。
最初TDA1547是与SAA7350组合使用,
只使用
SAA7350的前半部分作为三阶噪声整形器,
然后输出到
TDA1547进行数模变换。
这种组合把SAA7350称作三阶噪
声整形器,TDA1547称作比特流DAC。
1991年上市的飞利浦LHH700(照片8)、1992年上市的马兰士CD-15(照片9)和建伍1992年的CD机L-D1(图
5、照片10)都用NPCSM5803做数字滤波器,
用
SAA7350作三阶噪声整形器,用TDA1547进行数模变换。
TDA1307是1993年飞利浦开发的第五代集成电路,与
TDA1547配套使用,是一款内置数字滤波器、数字电位器
SAA7350(图1、图2),
将噪声整形的阶数从原来的两阶
提高到三阶,使可听带域的信噪比有所改善。
SAA7350与SAA7320、SAA7321的最大不同有三点:
第一,将噪声整形器改成了三阶,降低了可听带域的噪声电平;
第二,将开关电容网络的输出方式改进成平衡输出型,降低了偶次失真;
第三,省去了内置的4倍超取样数字滤波器,可以与性能更好的数字滤波器连接。
另外,设计SAA7350时考虑到与日本的数字滤波器集
成电路的匹配,对输入接口作了变更,所以常与NPC的高性能数字滤波器组合使用。
的三阶噪声整形器,
有人也称其为DF7。
图6是TDA1307
内部框图,通过反复三次2倍超取样运算实现8倍超取样,
数字滤波器输出20比特的信号,噪声整形器的阶数可切换为三阶或四阶。
飞利浦开发的比特流DAC的最终形态是称作“DF7+DAC7”的组合方式,即由TDA1307和TDA1547组合构成。
马兰士1995年推出的CD机CD-17D(照片11)和1996年推出CD-16D(图7)都使用了这两块集成电路。
TDA1307内置的数字无声检测电路
(图6的左下方)
1991年上市的
马兰士CD-42/52/72
(照片3)
三款机型
都采用了SAA7350。
先锋1990年上市的
CD机PD-T07(照
片4~6)
是最早使
用SAA7350的机型
(图3),数字滤波器
采用NPC公司的8倍超取样20比特输出的数字滤波器
SM5813。
照
TDA1547(
片7)是飞利浦1991
年开发的第四代PDM1比特DAC,为了提高音质,将SAA7350的开关电容D/A网络分离出
图2SAA7350的开关电容D/A网络的电路图
图3先锋PD-T07的D/A变换电路的组成
照片1飞利浦LHH300激光唱机
图6飞利浦TDA1307的电路方框图
图4飞利浦TDA1547的内部电路方框图
照片3马兰士CD-72激光唱机
照片2飞利浦LHH500激光唱机
图5建伍L-D1的信号处理电路方框图
用来检测数字信号是否是双极零,零数据连续出现超过规
定的值时检测电路输出静噪处理用的信号。
DSL是左声道
用的信号,DSR是右声道用的信号。
由于当零数据连续出
也会随之增加,必须使用高阶的模拟滤波器,模拟滤波器
同样会引起音质恶化。
所以先锋决定只采用两阶噪声整形器,将超取样的倍数提升至384倍,以此降低音频带内的
图7马兰士CD-16D信号处理电路的方框图
图8先锋PD2028A电路方框图
图9占空比对平均电平的影响
现时1比特DAC往往会产生称之为极限环的
振荡,所以用检测电路输出的数字无声信
号对输出电路进行静噪处理,不让振荡的声音输出。
二、先锋的脉冲流DAC
先锋1991年推出了六碟CD机PD-M560
(照片12)和PD-M760(照片13),它们最初采用的PDM1比特DAC是先锋早期的脉冲流DAC。
前者采用的型号为PD2026A的是低价格版,后者采用的是在后述的PD-T09中也采用的PD2028A。
这两款CD机的宣传重点是六碟连播的机芯,而非脉冲流DAC。
但是在1991年10月举办的第40届全日本音响博览会上,先锋展示的CD机PD-T09(照片14、15)中使用了PD2028,用PD2028组成的脉冲DAC一下子成了人们关注的焦点。
PD2028(图8)与飞利浦的产品一样也采用PDM方式,出于音质考虑没有用开关电容D/A网络形成正负脉冲,而采用简单地改变方波脉冲的密度的方式。
在其内部每个声道有四个DAC,工作于推挽方式。
考虑到噪声整形器阶数越高音频带内
的噪声就越小,但再量化引起的高频噪声
噪声。
进行384倍的噪声整形时由于高频噪声增加不多,
所以后接的模拟滤波器采用二阶低通滤波器即可。
PDM的脉冲占空比,即脉冲宽度t和脉冲周期T的比t/T
巴特沃斯有源低通滤波器滤波之后输出。
巴特沃斯有源低
通滤波器兼有输出缓冲器的功能,其组成是在音频运算放大器NJM2114的后面增加一级互补场效应管纯甲类推挽缓冲器。
往往在0.5(50%)左右。
但是这种场合如图9所示,
平均电平较低,信噪比会恶化,于是在脉冲流
由于
DAC中脉冲的占空比为1,即使用占空比为100%
的脉冲,实现信噪比高的D/A变换。
图10是PD-T09信号处理电路框图,
其中称
为连奏环变换系统的部分是其最大亮点,
该系
统由数字滤波器PD0116A和两块脉冲流DAC
PD2028A组成。
PD0116A被称为连奏环信息处理器,是一块慢截止型8倍超取样20比特输出的数字滤波器。
从CD读取经解调的1倍16比特的数
据先经PD0116A变换成8倍20比特的数据,
然后
再经PD2028作进一步的超取样变换,变换成384
倍PDM1比特数据。
DAC输出的信号经后接的通带超过200kHz
的无源一阶低通滤波器和通带大于48kHz的二阶
图11雅马哈YAC-501方框图
图10先锋PD-T09的信号处理电路方框图
照片4先锋PD-T07激光唱机
照片5先锋PD-T07内部
输出的能量与脉冲的密度成正比,
换。
实现低失真的数模变
三、
雅马哈I-PDM1比特DAC方式
1988年以前雅马哈一直致力于多比特DAC,是多比特
DAC的先驱者。
从1989年开始雅马哈转向超低比特的1比
特DAC,推出的第一款使用1比特DAC的CD机的CDX-1030(照片16),使用了MASH方式的PWM1比特DAC。
1990年雅马哈开发出自己的第一块PDM1比特DACYAC-501,并用于CD机CDX-1050(照片17)中。
图13的说明意味着占空比为100%的先锋PDM失真较
大,而从图9的占空比对平均电平的影响的角度来看,
意
味着降低占空比的雅马哈的I-PDM信噪比会有所恶化。
两
种PDM的取向是不一样的。
四、
JVC的DD变换器
YAC-501还集成了数字滤波器,
其
结构如图11所示。
与先锋一样为了抑制
高频噪声增加、
降低模拟滤波器的阶
数,把噪声整形器的阶数取为二阶,采
用384倍的位时钟。
结构如图12所示。
二阶噪声整形器的
雅马哈的PDM被称为I-PDM(Inde-
pendent
Pulse
Density
Modulation,
独立脉冲密度调制)。
这种调制方式具
有失真小的特点,由图13可知,I-PDM
使用的脉冲并不是方波,波形的上下边
沿都较钝。
占空比大的PDM,
相邻脉冲
的下半部分会出现重叠,引起失真;
而
I-PDM通过降低占空比确保脉冲的独立性,不会出现相邻脉冲相互重叠,确保
图13I-PDM失真小的理由
照片7飞利浦公司生产的第三代比特流方式1比特立体声D/A变换集成电路TDA1547
照片6先锋PD-T07的DAC板
图12雅马哈YAC-501的二阶噪声整形器
声整形器,之前没
能实现是因为四阶
噪声整形器要求的
动态范围宽和后接的局部1比特DAC
的分解力不足,
容
易造成再量化器饱
和并引起称之为极
限环的数字振荡。
DD变换器通过开发出分解力高动态范围宽的PEM
(脉冲沿调制)
部1比特DAC,
局
可
以将再量化器的输
出最大扩大到0±
8
的17值。
于是让需
要15值动态范围的
四阶噪声整形器实
现了不自激、不饱和。
在1989年举办的全日本音响博览会上,JVC展示了自
四阶噪声整形器的结构见图16(a),让再量化噪声通
过四阶积分器后反馈至输入端。
图16(b)是VANS方式四
行开发的命名为
“DD变换器”的PEM(脉冲沿调制)1比
特DACJCE4302A(照片18),最早使用JCE4302A的CD
机是JVC的XL-Z531(照片19)。
图15是XL-Z531的数模变换部分电路框图,由图可知
DD变换器是由VANS方式四阶噪声整形器和两个PEM1
比特DAC组成。
阶噪声整形器的例子,
器。
在反馈环内设置了两个二阶积分
VANS方式的独特之处在于低频端加有足够的负反
馈,可充分体现出四阶噪声整形的特性,改善音频带内的
信噪比,高频端再量化器的动态范围小一些也没关系(具体点说有5、6值就可以了),其特性接近期望的两阶或者一阶的特性。
方式实现
VANS(VictorAdvancedNoiseShaper)
了一直难以实用化的四阶噪声整形,
是当时最先进的噪
照片8飞利浦LHH700照片9马兰士CD-15
图14雅马哈CDX-1050的数模变换电路的基本组成
图15XL-Z531的数模变换部分电路框图
VANS方式噪声整形器输出的数
据是32倍15值(4比特)的数据,
然
后用PEM方式届部1比特DAC变成一
比特信号,其分解力会有所提高,
是以前的PWM的2~4倍。
PEM局部1比特DAC的最大特点是分解为过去PWM方式的2~4倍(具体的位数随相邻波形的组合情况而变化),图17是PEM方式局部1比特DAC的有关信号波形。
PEM方式DAC的基本动作是当首先输入的数据是+n时,A-DAC的脉冲沿朝宽度展宽的方向前移n个时钟
周期,
而B-DAC则正好相反,
脉冲
沿朝减小脉冲宽度的方向后移n个时
钟周期。
当输入的数据是-n时,
与
上述的情况相反,A-DAC的脉冲沿
朝减小脉冲宽度的方向移动n个时钟
由于这种
“减少高频时噪声整形器的阶数”
具有可
周期,而B-DAC则朝扩大脉冲宽度的方向移动n个时钟周
期。
在图17中最先从噪声整形器输入到DAC的是+1的数据,A-DAC输出的脉冲沿从虚线的基准位置向左移动了
以抑制再量化噪声在取样频率的1/2附近增大的副作用,
所以具有不必提高模拟低通滤波器的阶数就能达到预期目的优点。
图16VANS方式四阶噪声整形器的例子
图17PEM方式局部1比特DAC的有关信号波形
照片10建伍L-D1照片11马兰士CD-17D
照片12先锋PD-M560六碟CD机
一个时钟周期,而B-DAC的输出脉冲沿则向右移动了一
个时钟周期。
而对于PWM方式的DAC来说,当输入+1的数据时是输出宽度相当于+1脉冲,所以对于PEM方式的DAC来说,脉冲的上升沿位置只由最早出现的数据决定,脉冲的下降沿位置只由后面的第2个数据决定,与第1个数据无关。
另一个不同之处是PWM方式的脉冲宽度不能大于输
入数据的周期,所以动态范围较小。
而PEM方式由于只要
同一个脉冲的上升沿和下降沿不碰到一起就没问题,
从
图17中第3个数据的-1和第4个数据的+5的例子可以看出这
种方式具有脉冲沿可以跨越数据的边界进入相邻数据邻域的特点。
所以PEM方式的动态范围要比PWM方式宽,
可以输
入17值(0和±
8)的数据,可以与硬件相对应(图17中为
照片13先锋PD-M760六碟CD机
照片14先锋PD-T09激光唱机照片15先锋PD-T09内部
照片17雅马哈CDX-1050
照片16雅马哈CDX-1030激光唱机
图18CD播放机XL-Z900的电路方框图
了便于理解在画图时将时钟脉冲的宽度画得较宽,真正应
用时由于时钟频率很高,所以脉冲的宽度会变得很窄)。
由上述可知,对于PEM方式,脉冲的上升沿由奇数号的数据决定位置,脉冲的下降沿位置由偶数号数据决定,所以在一个脉冲中包含了两个信息。
脉冲沿的位置如果在图17中的两条实现之间移动,即在32倍的输入数据的一
动,所以在实际工作时越过界线进入到相邻数据的领域的
情况会比较多,以4倍分解力动作的机会也会比较多。
所以PEM方式1比特DAC具有分解力比PWM方式高
(为2~4倍)、动态范围宽(17值)、噪声整形器不会饱和、原理上产生失真的原因较少等优点。
由于不会引起极限环振荡,所以在零信号时也不必采取静噪措施。
照片20是从零电平开始振幅逐渐增加1LSB时的方波的再生波形,与PWM的MASH方式相比,PEM的DD变换器的再生波形在信噪比和线性两个方向都要更优越一些。
1992年JVC开发出了超取样倍数为2倍音频带内信噪比更高的新型DD变换集成电路JCE4501,并应用于CD机
个周期内移动,
那么此时的分解力为PWM方式的两倍。
如果脉冲沿越过实线达到相邻数据中心线的虚线的话,分
解力又可以再提高1倍,即为PWM的4倍。
在图17的例子中,如果+5的数据连续出现,
脉冲沿
会重叠,所以DAC的分解力只会为2倍。
但原理上噪声整
形的数据在正方向上连续出现的可能性几乎为零,在正数
据的后面都是负数据,数据是以理想值为中心上下来回摆
XL-Z900中(图18、照片21)。
PAV
照片19JVCXL-Z531激光唱机
照片18JVC公司1989年开发的第一代DD变换集成电路
JCE4302A
照片21JVCXL-Z900
(a)输入波形(b)MASH方式1比特DAC的例子(c)DD变换器(噪声更小、线生更好)
照片20以零为中心16比特1LSB步长的方波再生波形的比较
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