UPTONE的数字抖动技术白皮书，线有用，好时钟有用，隔离有用，有钱都有用！

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2020年3月1日

了解数字信号上的扰动如何在不改变bits的情况下影响音质，以及这些问题是如何由UpTone Etherregen解决的。

作者:John R.Swenson

虽然本白皮书是针对EtherREGEN交换机提出的，但以下大部分信息不仅适用于以太网，还适用于任何数字音频数据传送系统--以太网，USB，I2S，S/PDIF等。 我们将从DAC（DigitalAnalog Converter）向后工作到上游接口。

感知的数字音频性能很大程度上取决于进入DAC芯片（或R2R）的时钟信号的质量以及是否存在抖动。 抖动是指时钟时序与数学上完美的时序基准之间的任何变化。抖动会导致从DAC输出的音频信号失真。 这些失真的具体情况取决于抖动成分的特性。

初步结论：缓冲和光隔离并不是完全解决抖动。由于数字信号通过方波模拟01，那些昂贵的数字端子、数字线材对于减少传输过程中电信号畸变都是有意义的。

关键词：

时钟  接地电压  泄露电流  隔离  抖动

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时钟阈值，接地层噪声和接收器抖动:

那么抖动从何而来呢？ 所有振荡器（产生时钟信号）都有抖动，有的抖动大，有的抖动小。 我们将此抖动成分归类为“源固有抖动”。在时钟接收器（通常是DAC芯片内的触发器）处，还可以添加额外的抖动。触发器有自己的固有抖动，称为“接收器固有抖动”，但还有第三类，“阈值抖动”，概念上更难理解，即阈值抖动

本文将对er进行最深入的探讨。

尽管我们倾向于认为数字信号是“二进制”的，只有两种可能的状态--高（1）和低（0）--在它们之间瞬时变化，但实际情况并非如此。信号是模拟电压。 当从高电平变为低电平时，它会触及所有的中间电压，这种变化需要有限的时间间隔。 这被称为“斜坡时间”--“上升”或“下降”所需的时间。这个时间间隔可以非常快，但它仍然不是零。一个常见的斜坡。（可以理解为不存在完美的方波？）

在现代数字音频电路中发现的时间是几纳秒(ns)。 ns是十亿分之一秒，虽然听起来很快，但在我们讨论的领域，它不是。 这一点很重要，因为每个接收时钟信号的电路都有一个阈值电压。 这是一个电压，高于该电压时，电路认为信号为1，低于该电压时，电路认为信号为0。 那么当这个阈值改变时会发生什么呢？ 假设一条线从左到右向上，阈值为2伏。当信号达到2V以上，电路都将其视为从0变为1。 但如果阈值从2.0 V变为2.1 V怎么办？ 信号达到2.1比达到2.0需要更长的时间，因此电路看到此值变为“1”所需的时间也略有增加。 注意时钟信号本身没有变化； 时间的变化完全是接收器的特性。

好吧，那么为什么接收器会改变阈值呢？ 接收器本身不是，它保持在2.0 V。 额外的0.1V从何而来？ 接收器接地引脚上的电压！ 2.0V不是宇宙的某种物理特性。 它是接地引脚与时钟输入之间的电压。 然而，如果在接收器的接地引脚和源极的接地引脚之间存在任何电压，则该差异将被视为阈值的有效变化，从而改变接收器看到的阈值，也称为阈值抖动。

这是阈值抖动的基本机制：DAC的地平面上的噪声在DAC芯片中引起有效的抖动，该芯片调制来自DAC的音频信号。注意，实际的时钟信号根本没有变化。重要的是DAC芯片内的时钟电路如何看到时钟信号。

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我们确定了两种主要的外部机制（存在于各种数字接口中），它们会在DAC内部接地层上造成接地层噪声:1）数字数据传递的抖动；2）泄漏电流。

1）数字数据携带的抖动:

我们将解释时钟的抖动--例如在网络交换机中--如何在从该交换机出来的数据中表现出来，即使没有单独的时钟信号与数据一起传输。我们将解释这是如何进入并影响DAC连接端点的。

关键部分是在任何以太网接收器（称为PHY，物理接口芯片）内部发生的情况。 这需要对数字电路的工作原理有一些了解:我们有一根导线，其电压上升和下降对应于数字信号。当信号电压高于或低于电路的阈值电压时，会导致电路“改变状态”。这样做的过程会产生一点电流“打嗝”，在电路的电源和接地引脚之间流动。 所以每当信号改变时，小电流脉冲流过接地层。请记住，数据变化的时序由交换机中的时钟控制，因此它们具有交换机中时钟的相位噪声特性。 因此，发生在接地层中的脉冲也具有与交换机中的时钟相同的时序特性！

为了理解这一点，让我们进一步讨论相位噪声:相位噪声是衡量抖动的另一种方法。 你可以把它看作是抖动的“频谱”。 相位噪声通常被认为只是时钟的特性，但这是一个重要的噪声分量，因为时钟用于确定数据信号中何时发生“边沿”。 数据由时钟“逐个输出”，因此时钟的时序变化（抖动）会在数据信号中表现出来。用图形或动画来解释相位噪声可能更容易，但我们将尝试用文字来解释。 下面的例子虽然不是严格意义上的精确，但足以作为理解其工作原理的基础。 让我们考虑一个10MHz时钟信号:假定该时钟信号的每个上升沿之间正好有100ns。 在现实中，它从来都不是完美的，它可能略高于100ns，也可能略低于100ns。 设想一个时钟，它的时序“误差”以平滑的方式变化    和可重复的方式。 假设一个脉冲到下一个正好是100ns，然后下一个是101ns，然后下一个是102，然后是103，然后又回到102，然后是101，然后是100，然后是99，然后是98，然后是97，然后是98，然后是99，然后是100等等，这个定时误差模式要花一定量的时间才能完成。 如果假设出现该模式需要1/10秒，则时钟调制的频率为10Hz。 这通常称为抖动频率。 如果你对这个时钟做一个相位噪声图，  你会有一个10Hz的尖峰。     在现实中，很少只是一个频率，而是多个频率。 虽然看起来像噪声，但这不是模拟电压噪声，如磁带嘶嘶声。 而是由一大组抖动频率组成。 真实振荡器的相位噪声图并不是平坦的； 低频范围具有更高的相位噪声误差，在较高的频率范围内逐渐减小。 因此，抖动主要由较低频率构成组件。 如果查看接地层上的噪声，您将看到与开关中时钟的时钟相位噪声曲线相同的低频主导曲线。

时钟相位噪声叠加:

现在，它变得更加复杂，因为endpoint中有一个不同的时钟--具有自身的相位噪声，切换endpoint中的其他电路--并产生与内部时钟的相位噪声相关的接地层噪声。因此，endpoint中的接地层噪声是来自交换机时钟（外部时钟）的接地层噪声和来自内部时钟相位噪声的接地层噪声的组合。因此，外部时钟相位噪声覆盖在内部时钟的噪声之上

该接地层噪声随后会在产生输出的信号流（USB，I2S等）上引起抖动（参见第一部分）； 因此，输出的抖动是上游时钟和内部时钟的组合。 如果endpoint与DAC是分离的机器，则数据信号将此叠加时钟签名带入DAC，在DAC中产生接地层噪声，进而在进入DAC芯片的时钟上产生抖动，从而影响音频信号。

需要了解的是，这会导致所有音频信号的调制。 举个例子:假设相位噪声是前面提到的10Hz； 音频输出不会产生10Hz噪声，它会改变来自DAC的每个信号。 因此，如果DAC输出1kHz，则现在为1000Hz，加上1010Hz，再加上990Hz。 来自DAC的所有数据都会被时钟上的抖动“分散”一些。时钟相位噪声叠加的外观取决于所涉及的时钟和电路。 大多数“住宅”网络设备具有非常廉价的振荡器，但相位噪声非常高，因此在组合时钟中产生的影响可能非常强。 因此，如果您的endpoint有一个非常好的本地时钟，那么来自上游的覆盖可以明显大于本地时钟。

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2）漏电流:

漏电流是电源的特性。 在所有电源中，会有少量电流从交流线路通过电源流到直流输出。 该电流将通过任何正在供电的设备，并总是通过某种路径回流到交流线路，形成“泄漏环路”。此类泄漏会经常流入器件的接地层，在接地层上产生小电压。 该漏电流主要在线路频率50Hz或60Hz处，具体取决于特定国家的交流市电标准，但也可能存在延伸至兆赫范围内的低电平成分。 请注意，这不是直流，主要是线路频率交流，考虑泄漏环路时必须记住这一点。泄漏电流可以流过电源线，音频互连，数字电缆，包括以太网和USB电缆。 泄漏将从电源通过电缆流到另一个设备或组件，然后通过该设备或组件各自的电源流回AC市电。 或者，它可以通过电缆流到另一个盒子，然后通过安全接地（AC插头的“第三个引脚”），并返回AC市电。      我们发现漏电流有两种类型:传统的低源阻抗漏电流和高源阻抗漏电流，前者存在于所有电源中，后者仅存在于开关式电源。这种高源阻抗泄漏很难阻挡，而且可能会以令人惊讶的方式到达它想要到达的地方。这两种不同形式的泄漏电流对音频系统中的以太网具有有害影响。 所有铜以太网连接在每个设备端口都有变压器，这些变压器将阻挡直流和低源阻抗泄漏。 然而，它们不能阻挡高源阻抗交流泄漏。 这对于用于音频的数字网络尤为重要。

大多数与音频一起使用的网络系统都使用开关电源(SMPS)为数字设备，路由器，交换机，计算机等供电。来自SMPS的高源阻抗泄漏电流将通过网络设备，以太网电缆，端点进入DAC，在接地层上产生噪声，从而在DAC电路中产生抖动。

漏电流还会导致中间器件（如流媒体机）的时钟调制。时钟问题已在前一节中讨论过。

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UpTone Audio EtherREGEN如何解决上述问题？

EtherRegen的主要目的是从根本上降低接地层噪声的两个来源--泄漏电流和时钟相位噪声，防止它们进入DAC。 这是通过防止泄漏（高源阻抗和低源阻抗类型）通过，以及防止数据信号在接地层上产生相位噪声感应电流脉冲来实现的。   

在EtherREGEN中，通过使用特殊选择的高速数字隔离器，防止泄漏穿过其“A”>“B”侧护城河。这些可以阻止泄漏，但不会阻止相位噪声分量。让我们看看常见的数字隔离器，看看原因。输入信号上的抖动传递到输出（参见前面的讨论）。隔离器从输入到输出有一个延迟；因此，如果输入稍晚，输出也会稍晚。抖动直接通过。普通的隔离器也会在地平面上产生那些臭名昭著的脉冲，而且由于隔离器的工作原理，这种脉冲非常强。因此，无论隔离器驱动什么，接地平面噪声不仅会产生，而且也会产生于隔离器本身。

事实证明，有一个概念上简单的方法可以解决这个问题。 使用全差分电路。这有两根线进来，两根线出去。 信号是差分的； 一个上升，另一个下降。 因此，地平面上的负脉冲和正脉冲同时产生，它们相互抵消。

EtherREGEN采用差分，高速，极低抖动隔离器，然后采用全差分超低抖动触发器，通过超低抖动本地时钟重新锁定数据。由于两者都是完全差分的，因此EtherRegen的接地层上没有上游时钟引起的噪声。 此外，EtherREGEN中的所有时钟都使用差分线路运行。

听起来可能很简单，但实际上却相当具有挑战性。全差分低抖动隔离器和触发器极为罕见，它们采用多个电压，功耗很大。但我们最终还是找到了合适的部件，并使之正常工作。 EtherRegen还集成了许多其他独特的技术特性。 你可以在我们的网站上读到这些。

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有趣问题的答案:

在给几个人预览这篇论文的草稿时，一些问题又出现了。 这些问题的答案与主题和我们的工程密切相关，因此我们在下面给出它们。

Q.一些music renderer endpoints（可以理解为网桥,NAA等这种界面）具有软件或硬件缓冲区，一些DAC的USB或以太网接口也是如此。 上游相位噪声和泄漏的影响是否仍会影响这些特性？

A. 缓冲区本身不会阻止相位噪声叠加。只要有输入数据（例如在大多数USB端点缓冲区中），无论是否有缓冲区，来自数据的地平面噪声仍然进入DAC的地平面。此外，这种相位噪声叠加也发生在缓冲器内部，加上输入侧和输出侧的输入时钟都受到接地板和缓冲器芯片内接地线上噪声的阈值影响。所以，数据进出的小缓冲区并没有多大区别，如果做得不好，实际上会让事情变得更糟。 USB系统通常有一个非常小的缓冲区，而且由于数据输出时总是有数据输入，所以来自输入数据的相位噪声叠加仍然是一个因素。即使USB接收器后的缓冲区很大，总线上仍然有相当数量的USB数据包。唯一的办法是完全关闭USB连接。

Q.如果一个非常大的缓冲区可以容纳整首歌或整张专辑，那么系统会怎样？   

A.在播放所有音乐时输入完全关闭的非常大的缓冲器可以消除上游源的相位噪声叠加。但是，漏电流仍然存在。 只要电缆仍处于插入状态，泄漏电流仍会通过电缆流向DAC。 所以仅仅不发送任何数据包并没有什么区别--必须拔掉电缆才能阻止它。 即使在回放过程中控制系统没有数据包，您仍然会出现泄漏  从交换机和其他上游网络组件。

Q.如何阻断这些泄漏电流？标准以太网端口不能做到这一点吗？其他类型的隔离器呢？

A.为了停止泄漏电流，需要一个真正的隔离器，正确地实施。虽然您可能会看到“电流隔离器”的讨论，但根据定义，电流隔离仅意味着直流被阻断。电流隔离器，无论是变压器或任何形式的电容或光学数字逻辑隔离器，仍然通过交流电。以太网端口中的变压器是电流隔离器，它们阻止直流电，也阻止低源阻抗交流泄漏。然而，高源阻抗泄漏正好穿过它们。现在让我们来看看I2S线路上的USB接收器和数字隔离器的情况：根据隔离器的不同，这可能会或可能不会阻止上游电源的泄漏。当然可以设计成这样，这样就可以阻止上游的高源阻抗泄漏，但通常这些电路不会。这是高度即时通讯依赖于执行。只要数据还在隔离器上传输，隔离器的输出电路就会在下游的接地层上产生接地层噪声。然后，无论数据流向何处，都会在地平面上产生噪声，即使存在缓冲区。

Q.光纤接口呢？这些不是把一切都挡住了吗？

A.在纯光学输入（零金属连接）的情况下，这会阻止泄漏电流，但不会阻止相位噪声的影响。光连接和其他隔离器一样：输入端的抖动通过光纤传输，并在接收端显示出来。如果接收器使用本地时钟重新锁定数据，则仍会受到来自数据的地平面噪声的影响，从而在重新锁定电路上引起阈值变化，从而叠加在本地时钟的顶部。

standalone

虽然有一些读不懂的地方，但感觉非常符合我优化网络时候的听感变化，也解释了数字部分很多百思不得其解的变化，非常赞

aaalzaaa

好文！学习了

ejsd

绝对干货
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chigo

海外网友的使用：


我现在仅使用标准电源。Uptone自己已经提到，他们希望升级后的电源（包括LPS 1.2）在SQ方面不会有太大差异。在AS的Uptone论坛上，还没有多少业主尝试过不同的电源。

与Cisco交换机相比，我的主要区别在于透明度更高，立体声分离效果更好，声音更清晰。

从角度看，SQ提升比我以前的升级要少一点，我的放大器，DAC和流媒体使用12 x Center Stage 2.0脚垫，但是这组脚垫的价格是EtherRegen的3倍以上。

CMS牛逼

hot911

chigo 发表于 2020-3-28 13:09
海外网友的使用：

我那个MOJO的线电还有个接口，12V的，可以接上去试试