关于数码音频用的“时钟”再写一点科普

小白

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最近论坛讨论“时钟”比较多，我之前写在帖子里写过一点点关于时钟频率的“科普”，这里再补充写一点。欢迎老烧、技术大师指正和补充。

近年来，外置独立高性能时钟加持的玩法在高烧友的群体中越来越流行，但也有很多烧友因为缺乏相关背景知识对这种玩法望而生畏。这里简单介绍一下数字音频相关的时钟信号技术细节及外置时钟加持的具体实现方式。

数字电路的正常运作离不开时钟信号，时钟信号可以比喻为像“心跳”一样为数字电路的各个部分的同步协调工作提供正确的时序参考。有一种我在国外杂志上看到的说法是很准确的——数码音频的核心就是Timing。时钟就是提供这种Timing准确性的。外置时钟的加持本质上是用一个质量更高的外部时钟信号来替换设备内置的音频主时钟信号（简称MCLK：Master Clock），从而达到提升听感的效果。

MLCK是现代超采样DAC内部的升频及数字滤波器正常运作所需要的时钟信号，越是高质量的MCLK，DAC内部电路的同步工作就会越准确，反映到主观感受上就是听感的提升。MCLK的频率通常为基础采样频率44.1/48KHz的256/512/1024/2048倍，一般写为256fs/512fs/1024fs/2048fs（fs=“采样频率”的缩写），具体数值即11.2896/12.288MHz、22.5792/24.576MHz、45.1584/49.152MHz、90.3168/98.304MHz。在数字音频里最常见的是22/24MHz（即512fs），有些数码器材有这个接口。

再写得基本一些，为什么对于数码音频来说Timing如此重要？因为数码音频的基本原理就是按一个固定的频率去对模拟波形“采样”（Sampling或者叫“取样”）。44.1KHz就是每秒钟采样44100次，重播的时候则把这些零散的采样信号同样按照44.1Khz的频率“复原”出模拟波形。在这个过程中，每秒钟44100Hz这个“采样频率”的准确性直接地影响信号质量，并直接地反映到听感。

为什么基础采样频率是44.1KHz呢？这是为了覆盖人耳的可闻音域，即20-20000赫兹。每秒钟44100赫兹的采样频率可以确保20000赫兹的高频信号（人耳可闻的高频上限）也能记录和重构（每个频率周期需要至少两个采样点）。

小白

在常见的DAC设计中，MCLK主时钟信号源自机内的内部时钟（通常是晶振）或由音频锁相环（PLL）合成。商品化的解码器内置的MCLK时钟源必须考虑成本，往往是妥协的方案，不可能追求极致。

MCLK音频主时钟信号的质量会直接影响音质。其最主要的技术性能是短期稳定性（简称短稳）。它能直接关系到音质，主观听感上可以关联到——声音的安定感、透明度、声场表现、结像力、凝聚性、颗粒感、活生感，等等。

高性能MCLK时钟信号源的具体实现，一般是两种思路，一种是采用高性能的音频频点OCXO（恒温晶振）直接得到MCLK；另一种是采用高性能的10MHz参考时钟源，如高性能的10MHz OCXO或高性能10MHz原子钟配合内置的高性能MCLK频率合成器，得到高性能MCLK。

hujiyuan

我想知道的是，为什么时钟需要外置才能达到最佳效果，案例说，线材对时钟信号已经有较大影响，时钟内置并达到最佳效果是更好的方案，是因为外置的屏蔽和电源供应更好吗

DXDXDX

hujiyuan 发表于 2019-5-3 10:57
我想知道的是，为什么时钟需要外置才能达到最佳效果，案例说，线材对时钟信号已经有较大影响，时钟内置并达 ...

内置效果最好，然而内置整机就太贵了，体积也要增加很多

小白

可以直接加持高性能MCLK时钟源的音频设备是较少的，只有部分Hi-End品牌的转盘和DAC支持直接加持MCLK，还有少数专业DAC和ADC支持SuperClock即256FS的MCLK。这主要是因为不同年代、厂家的DAC电路设计所需要的MCLK频率不是一个定值，从256FS到2048FS的都有，所以直接加持MCLK时钟源只能选用特定品牌和型号的器材才能实现。

在实际的玩法中，直接加持MCLK音频主时钟信号源并不是最常见的方式，更常见的是：1）加持10MHz参考时钟源，2）加持WCK字时钟信号源。

有一个问题是：为什么会采用10MHz这个频率的参考时钟源来加持音频设备，毕竟这个频率跟数字音频常用的频点（44.1/48及其倍数）一点关系都没有。

其实很简单，10MHz是已经在航空、航天、通信及军工领域的高性能时钟参考源普遍应用的一个频率点，相关的OCXO和原子钟模块相对更容易采购，无需像采用音频频点OCXO那样需要专门定制，而且相关的关键器件也已经在那些稳定性与关键性能要求更为严苛的专业领域中充分验证过，短稳和低频相噪性能达到Hi-End音频应用所要求的性能水平完全不成问题。

因此，加持10MHz参考时钟源是目前最方便的一种时钟加持方式，也就是选用自带10MHz参考时钟输入的数字源和DAC，统一接驳到同一个10MHz参考时钟源即可。这类音响器材内部都有10MHz参考时钟转为MCLK的频率合成器，无论实际回放的是什么采样率，无需手动切换音频时钟频率。

hujiyuan

DXDXDX 发表于 2019-5-3 11:00
内置效果最好，然而内置整机就太贵了，体积也要增加很多

原来如此，打个比方说，如果AURALIC把他们家G2解码和leo时钟整合在一个机子里的话，是不是体积要增加一倍 ？  

leter15

我来补充一下。
飞秒级是指晶振的短期稳定性/超短期稳定性，通常用相位噪声或者抖动值表示。一般的晶振抖动参数都采用ps表示，但是当抖动值低于1PS的时候，就采用飞秒表示（fs）.目前只有少数特别优化的晶振能够达到飞秒级的抖动性能，其中CRYSTEK的CCHD-575和CCHD-957便是佼佼者之一。1PPM是指晶振的长期稳定性，是用来衡量时钟的长期频率误差的，通常用PPM表示，1PPM也就是百万分之一。这是两个不同的概念 。对于数字音频来说，首先追求的是抖动性能/短期稳定性，其次是长期稳定性。

DXDXDX

hujiyuan 发表于 2019-5-3 11:07
原来如此，打个比方说，如果AURALIC把他们家G2解码和leo时钟整合在一个机子里的话，是不是体积要增加一倍 ...

差不多要的，时钟部分的电源和屏蔽就算在机内也是要独立做的

小白

加持WCK字时钟也是一种常见的玩法。WCK（Word Clock）字时钟，简言之就是一个数字音频采样率频率的时钟信号，WCK字时钟有时也写作FS/LRCK，它与MCLK音频主时钟成2的整数次幂倍率，前文提到的MCLK也可表示为256FS/512FS/1024FS/2048FS（FS=44.1kHz或48KHz）。常用的WCK范围从44.1KHz - 384KHz（PCM）。如果是DSD回放，那么字时钟的频率是2.8MHz、5.6MHz、11.2MHz等频率，分别是44.1KHz的64倍、128倍、256倍。通常所说的所谓DSD64、DSD128、DSD256等，就是指它的播放频率为基础频率44.1KHz的多少倍数。

加持WCK字时钟的思路跟加持MCLK音频主时钟非常类似，只不过多了一个环节——支持WCK字时钟输入的设备在接收外部WCK字时钟信号之后，需要用机内的锁相环电路来实现从WCK字时钟到MCLK的同步及倍频过程，最终得到一个高性能的MCLK来应用于机内的数字电路。

实际使用中存在一个问题，在多数情况下采用WCK字时钟加持的音响器材使用同一个WCK字时钟信号来同步协作，遇到采样率切换的情况就需要手动或半自动切换字时钟频率，否则听到的声音会不正常（放错速度的听感）。

类似的情况也存在于加持MCLK音频主时钟源的器材，不过这种情况下只有采样率基频在44.1K和48K之间切换才需要调整MCLK频率，在同一基频的不同倍率采样率之间切换无需手动切换。也有个别厂家选择了一种比较灵活的思路，同时采用44.1KHz和48KHz两路基频WCK字时钟信号，数字源和DAC之间通过AES/SPDIF信号的采样率或者其他自定义的控制信号进行自动切换，无需用户手动。类似的做法也有厂家在可以加持MCLK音频主时钟源的西装系统上实现了，也是依靠外加自定义的控制信号来实现自动切换。

小白

hujiyuan 发表于 2019-5-3 11:07
原来如此，打个比方说，如果AURALIC把他们家G2解码和leo时钟整合在一个机子里的话，是不是体积要增加一倍 ...

不光是体积增加的问题，电路之间的干扰隔绝、供电的质量，都是会影响时钟信号质量的。装在一个独立的机壳里、独门独户的供电，肯定还是最优解，

当然，内置时钟存在一个优势，就是引线距离最短、接线引起的劣化最小。外部时钟需要通过接插件、时钟线从外部引入机内，存在这个过程带来的劣化。但是，优势和劣势相比较，如果外部时钟的性能显著地优于机内，那么虽经接线的劣化，最终结果还是正面的。事实上有些厂家反对外部时钟，唯一能找到的理由也就是接线劣化了。

leter15

录音工业标准是就是采用WCK字时钟的。
所以很多数字录音设备的，都有WCK 输入或者输出接口。一部分的录音设备也有MCLK接口的，但是比较少见。

hujiyuan

DXDXDX 发表于 2019-5-3 11:18
差不多要的，时钟部分的电源和屏蔽就算在机内也是要独立做的

整合在一起，剩去了线材，也不占地方 ，其实觉得还是整合了好，假如音质没明显影响的话，估计AURALIC后期也会像DCS一样，出一部高端一体机，把它们家三件套整在一个箱子里

z先生

完全可以放在一个壳子里，无非是成本上升，价格会比较难看。不如独立一个大件，会买的人愿意花更多钱。多少机器拆进去都是空的，如果是一体化设计，无非是个模块，作为个升降选配就好。

hujiyuan

像TITANS的helen和horea，就算体积增加一倍，也不大， 如果条件允许整合在一起估计更好，但我不懂技术，不知后续会不会有这样的整合产品出来

springson

小白写得很好。估计，看懂的人还是不多，哈哈。