CD播放机中使用的DAC7高性能1比特的PDM和PEM.docx

1、CD播放机中使用的DAC7高性能1比特的PDM和PEMCD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PWM 1比 特DAC抗 衡， 飞利浦、 先锋、 雅马哈等先后开发出了高性能的PDM 1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

2、开始在自己产品中使用PDM 1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MASH 1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

3、1988年将SAA7320应用于 商 品 ， 并 以PDM 1比 特DAC为 亮 点 大 肆渲 染 。当 时 采 用SAA7320的 有JVC的 XD-2700 DAT 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PDM 1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

4、 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 NPC SM5803 做 数 字 滤 波 器 ，用SAA7350作三

5、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

6、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

7、 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 PDM 1 比 特 DAC， 为 了 提 高 音 质 ， 将 SAA7350 的 开 关 电 容 D/A 网 络 分 离 出图2 S

8、AA7350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

9、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PDM 1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

10、 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

11、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%

12、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 DACPD2028A 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PDM 1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

13、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-PDM 1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PWM 1比 特DAC。 1990 年 雅马哈开发出自己的 第 一块 PDM 1

14、 比 特 DAC YAC-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-

15、pendentPulseDensityModulation，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13 I-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

16、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

17、名为“DD变换器” 的PEM （脉冲沿调制） 1比特DAC JCE4302A （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PEM 1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

18、性接近期望的两阶或者 一阶的特性。方式实现VANS （Victor Advanced Noise Shaper）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15 XL-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24倍。PEM局部1比 特DAC的 最 大 特 点 是分

19、解为过去PWM方式的24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

20、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16 VANS方式四阶噪声整形器的例子图17 PEM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

21、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

22、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18 CD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

23、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24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

24、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 19 JVC XL-Z53

25、1 激光唱机照 片18 JVC公 司1989年开发的第一代DD变 换 集 成 电 路JCE4302A照片 21 JVC XL-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file:/D|/我的资料/Desktop/新建文本文档.txtAppliance Error (configuration_error)Your request could not be processed because of a configuration error: Could not connect to LDAP server.For assistance, contact your network support team.file:/D|/我的资料/Desktop/新建文本文档.txt2012-07-12 20:42:52