CD播放机中使用的DAC7高性能1比特的PDM和PEM.docx

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CD播放机中使用的DAC7高性能1比特的PDM和PEM

CD播放机中使用的DAC（7）

——高性能1比特的PDM和PEM

□从余

最早的1比特DAC采用脉冲密度调制（PDM）方式，

但在MASH方式出现之后，脉冲宽度调制（PWM）方式很

快就成了1比特DAC的主流。

为了与PWM1比特DAC抗衡，飞利浦、先锋、雅马哈等先后开发出了高性能的PDM1比特DAC，JVC开发出了构想新颖的脉冲沿调制（PEM）1比特DAC。

本文将对高性能版PDM和PEM的1比特DAC的有关情况作较为详细地介绍。

代比特流DAC，对信噪比进行了改进。

飞利浦也开始在自

己产品中使用PDM1比特DAC，于1989年推出了两款CD

机LHH300（照片1）和LHH500（照片2）。

但由于

SAA7321只是在SAA7320的基础上做了少量的调整，基本

的电路是相同的，所以两款CD机的性能不如其他公司使用MASH1比特DAC的CD机。

于是飞利浦于1990年推出了第三代比特流DAC

一、比特流方式1比特DAC

的改进

SAA7320是1987年飞利浦研发的第一

代PDM比特流方式的1比特DAC，

由于

SAA7320的信噪比不太高，所以飞利浦只

对外销售。

日本厂商在1988年将SAA7320应用于商品，并以PDM1比特DAC为亮点大肆

渲染。

当时采用SAA7320的有JVC的XD-

2700DAT和索尼TA-F505ESD内藏DAC

的前置放大器。

但是这两家公司后面的机型中1比特

DAC不再采用PDM方式，索尼改用PWM，

JVC则改用自行开发的PEM方式，

原因大

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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