本帖最后由 一泻千里 于 2021-11-19 19:20 编辑
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外部时钟信号真的可以提高数字音频设备的性能吗？我们让七个最好的主时钟通过他们的步伐，从神话中梳理出事实。
您的工作室需要数字主时钟吗？
数字音频时钟是几乎每个参与录音的人都听说过的话题，但很少有人真正了解。我经常被问到不同的设备应该如何一起计时，以及某种主时钟单元是否会提高数字系统的整体性能，所以在本文中我将解释时钟的基础知识并测试一些流行的主时钟单位。
什么是时钟？
为什么我们需要时钟？简单的答案是，要将连续的模拟音频信号数字化，必须以精确且有规律的重复间隔对其进行采样。时钟提供计时信息，并允许在需要时正确地将波形重建为模拟信号（假设采样率是被采样的音频信号的最高频率分量的两倍以上）。最简单的是，时钟识别何时应该记录或重放每个样本——我们称之为“字时钟”——但在实践中，它通常还提供其他有用的信息，例如识别多个编码的音频通道。渠道系统。
如果时钟时序变化，音频样本可能会在错误的时间被捕获（记录）或重建（重放），或两者兼而有之。这反过来又会导致失真，因此时钟定时精度对于保持音频质量至关重要。
对页的图表
一个时钟周期和下一个时钟周期之间的短期时序变化会导致波形失真。
一个时钟周期和下一个时钟周期之间的短期时序变化会导致波形失真。
显示了一个时钟周期和下一个时钟周期之间的短期时序变化如何导致波形失真。如果时序变化是随机的，结果实际上是增加了噪声，而如果变化是周期性的，则可以将额外的无调（互调）伪影添加到信号中。这些时序变化称为“抖动”，而整体时钟速率的长期时序变化称为“漂移”。
还有其他种类的时钟，最重要的一种是“位时钟”。这用于 AES3、S/PDIF 和 ADAT 等串行数据接口，其中基本上只有一个“导管”用于传递音频数据：属于单个音频样本的每个数据位一个接一个地传递，然后通过下一个音频样本的位，依此类推。作为二进制数据，每一位可以是零也可以是一，并且很可能几个连续的位具有相同的二进制值。危险在于接收设备可能无法跟踪每个数据位何时停止和下一个开始，从而可能导致接收到的数据值损坏。为了避免这种情况，“位时钟”
当数字音频数据从一个设备传递到另一个设备时，时钟抖动和漂移并不重要，只要它们不过分，因为两个设备都对采样的时间不感兴趣——它没有内在的意义。重要的是可以准确地恢复每个数据位的值，这相对容易，因为在发送下一个数据位之前，每个数据位都传输了有限的时间段。因此，只要位时钟在数据更改之前的每个静态周期内指向某个位置，就会正确检索数据值。无论是实时发生还是更快（或更慢）发生，对数据传输的精度没有实际影响。
然而，当数据在模拟域和数字域之间转换时，时钟时序绝对至关重要，因此 A-D 和 D-A 转换器的时钟对音频质量至关重要。如图所示，音频链两端的抖动都会导致实际问题。
一个时钟周期和下一个时钟周期之间的短期时序变化会导致波形失真
一个时钟周期和下一个时钟周期之间的短期时序变化会导致波形失真。
我的数字音频设备如何使用时钟？
几乎每个数字音频设备都有一个内部数字时钟。（最常见的例外是独立的 D-A 转换器，因为它们中的大多数依赖于嵌入在数字音频中的时钟信号被馈送到它们。）在典型的项目工作室中，任何支架中都会有一个时钟电路单独的 A‑D 转换器、音频接口和任何外部数字处理硬件。这些时钟通常基于非常准确和可靠的压电石英“晶体”，它们以由晶体的大小和形状决定的固定和稳定频率连续振动。在数字音频应用中，大多数晶体时钟以比标准采样率高 128 倍的频率运行，尽管有些以更大的倍数运行以提供更高的精度。石英晶体的振动频率随温度略有变化，因此对于极其精确的系统，晶体通常放置在“烤箱”内，以确保一致的工作温度。对于真正精确的系统，会使用更高频率的材料（例如铯 133 或铷 97）的原子振动，但这会变得非常昂贵，并且在大多数数字音频应用中基本上是不必要的。
当组合或互连来自不同设备或来源的数字信号时，来自每个设备的音频样本完全同时到达至关重要，以便它们的数据可以混合在一起或以其他方式处理。如果它们没有一起到达，来自某些来源的样本将被遗漏，并且可能会听到咔嗒声或故障。黄金法则是，必须将一个设备声明为整个系统的“主”时钟源，而其他所有设备都必须“从属于”该时钟源，以确保所有设备都以完全相同的时间和速率生成样本。想想管弦乐队：如果你想让每个人都及时演奏，只有一个指挥可以挥动指挥棒！
谁是爸爸？
那么，您应该使用什么作为您的主时钟？不可避免地，这一切都取决于......在一个带有内置麦克风前置放大器的音频接口连接到基于计算机的 DAW 的简单系统中，答案只能是接口：因为音频链中对时钟最关键的元素是A-D 转换器，因为它内置在接口中，所以将其用作主时钟是有意义的。如果您要添加外部数字设备，例如外置混响，则应将其配置为接口的时钟从属设备。
在更复杂的系统中，通常最好使用 A‑D 作为主时钟。如果有多个这些，您需要决定使用哪一个作为主控，而其他所有（包括其他 A-D）都必须从属于它。在某些情况下，相关设备上的时钟连接选项会强加一种特定的工作方式，但在您有选择的情况下，最好尝试主设备的所有可能选项，看看一种配置是否比另一种配置提供更好的结果。不同配置之间很可能会出现听觉差异，因为（正如我们将看到的）大多数 A-D 在配置为主时钟和从时钟时的性能略有不同。
这里的问题是，使用单元内部的固定晶体设计一个好的时钟电路比设计一个接受外部时钟信号并与其同步良好的电路容易得多。外部时钟可能会获得一些抖动元素（主要是由于时钟布线的固有影响），并且常见的从锁定电路会引入更多自身的时序变化，这两者都很难（且成本高昂）消除。因此，与外部时钟同步时，A-D 的性能通常不如在其内部晶体上运行时好。本底噪声可能会升高，并且可能会出现更多低电平失真产物和伪像。在这种情况下，使用可以处理外部时钟以及从设备的设备是有意义的，以及作为主设备在外部时钟上工作不佳的设备。通过这种方式，可以为所有设备实现最高的音频质量。
主时钟“枪战”
对于主时钟单元的这种比较“枪战”，我测试了来自不同制造商的许多设备，涵盖了广泛的价格、功能和设施。（有关完整列表，请参阅“测试时钟”框）。市场上还有其他主时钟，但就所提供的功能和性能而言，该系列非常具有代表性。所有这些设备都以各种标准采样率生成多个字时钟输出，但许多设备的功能远不止于此。一些提供 S/PDIF 和 AES11 格式的额外时钟输出，一些生成除数字音频时钟之外的视频同步参考信号，和/或允许以各种方式偏移采样率以适应特定的视频传输机制，以及有些将接受外部参考时钟或视频同步馈送。
转换器性能和主时钟
人们普遍认为，为数字系统添加一个高质量的主时钟会以某种方式神奇地提高其整体性能。虽然在半专业数字转换器的早期可能就是这种情况，坦率地说，其中一些内部数字时钟设计非常笨拙，但今天肯定不是这种情况。正如我在上面解释的——并将在下面证明——今天的转换器设计通常在它们自己的内部时钟上工作得最好，而大多数在外部时钟时会提供稍差的性能。最好的设备根本不会表现出性能上的变化，因为它们具有出色的时钟提取电路，可以消除所有时钟抖动痕迹和其他外部时钟伪影，因此它们在运行时与内部时钟一样好。
因此，尽管在使用外部时钟与使用内部时钟运行时可能会感觉到声音差异，并且这些差异在某些情况下甚至看起来很令人愉快，但这完全是由于增加的互调失真和其他与时钟恢复相关的伪影而不是比任何真正的音频优势，正如测试图所示。
测试
对于这些测试，我使用了许多外部 A-D 转换器作为演示我所提出的论点的最便捷方式。但出于同样的原因，任何和所有 DAW 接口和声卡都可以预期得到完全相同的结果范围。我用于这些测试的外部 A‑D 包括 Behringer UltraCurve Pro DEQ2496、Apogee PSX100、带数字卡的 Focusrite ISA428 和 Prism Sound Orpheus。所有测试均使用 Prism Sound dScope 系列 III 音频分析仪系统进行测试，该系统配置为生成模拟线路电平测试信号并测量转换器 AES3 数字输出的各个方面。
我测试的第一个单元是 Behringer Ultracurve，结果图显示在第114页。
此处测试的 Behringer 单元在以高质量外部主时钟计时时的效果不如在其自己的劣质内部时钟上好。
此处测试的 Behringer 单元在以高质量外部主时钟计时时的效果不如在其自己的劣质内部时钟上好。
粉红色轨迹显示了在其内部时钟上运行的设备的性能，并且具有大约 ‑4dBFS 的 1kHz 音调输入。1kHz 音调右侧的尖峰表示低于约 ‑106dBFS 的一些谐波失真，但轨迹相对干净，没有其他杂散无用信号，所有这些信号都低于 ‑130dBFS。
但是，蓝色轨迹显示了 Ultracurve Pro 与外部字时钟参考信号（在本例中来自 dScope Series III 本身）同步时的结果。如您所见，整个本底噪声略有升高，在 10kHz 区域周围有明显的凸起，并且在 1kHz 输入信号的两侧出现了大量虚假的附加尖峰。这些是由 Ultracurve 的时钟恢复电路试图保持对外部参考时钟信号的锁定造成的，尽管电平相对较低（大多数仍低于 ‑130dBFS），但这些杂散信号可能会产生听觉效果，因为它们与外部参考时钟信号没有直接关系。输入信号，并且本质上是无音乐的。所以即使这里提供了一个非常优质的外部字时钟，
这无论如何都不是异常情况，音频质量的降低也与参考时钟源的假定质量无关。第128页上的图表
与 Behringer 设备一样，Focusrite ISA 428 在其自己的内部时钟上的表现要优于它同步到的两个主时钟（Antelope 和 Drawmer）中的任何一个。
与 Behringer 设备一样，Focusrite ISA 428 在其自己的内部时钟上的表现要优于它同步到的两个主时钟（Antelope 和 Drawmer）中的任何一个。
将在其内部时钟上运行的 Focusrite ISA428 以 48kHz（深蓝色迹线）与来自 Antelope Trinity/10M 时钟组合（绿色迹线）和 Drawmer MClock Lite（黄色迹线）的外部 48kHz 时钟进行比较。这两个主时钟代表了可用于此测试的所有主时钟的两个成本极限，它们之间的价格比为 12:1！
MClock Lite 和 Trinity 跟踪之间的差异可以忽略不计，但两者都比 ISA428 以其内部时钟运行时获得的性能差得多。在这种情况下，在外部时钟上运行会显着提高本底噪声，并且会在 1kHz 输入音的两侧弹出一些额外的无调性伪影。在这种情况下，在外部时钟上运行时，ISA428 的宽带 THD + 噪声系数（22Hz 至 22kHz）与其内部时钟性能相比增加了约 2dB，表明 A-D 中的抖动增加，从而导致失真和噪音。此外，这意味着与外部参考时钟源的质量或精度相比，A-D 转换器的外部时钟恢复电路对 A-D 性能的影响要大得多。
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结论
总的来说，从这些测试中可以清楚地看出，使用外部主时钟不能也不会提高数字音频系统的音质。它可能会改变它，主观上可能更喜欢这种改变，但它不会在任何技术意义上使事情变得更好。A-D 转换性能不会提高：可以期望的最好结果是 A-D 转换不会显着降低。在大多数情况下，技术性能实际上会变得更糟，尽管只是微不足道。
话虽如此，使用主时钟很可能使数字音频系统的操作更加方便和稳定——这本身可能是一个非常理想的好处，很容易超过从属 A‑ D 转换器。或者它可以确保实现采样率和视频帧之间所需的同步，这在任何与视频相关的工作中都是至关重要的。
显而易见的结论是，在简单的数字音频设置中，通常不需要主时钟，尽管合理地为多个数字设备提供时钟仍然至关重要。在更复杂的数字音频系统中，主时钟可以使从属多个单元的任务变得更容易和更整洁，并使系统运行更可靠。在数字音频与视频同步使用的系统中，一个合适的主时钟是绝对必要的。但在任何一种情况下，使用主时钟都不会从任何技术意义上改善转换器实现的音频质量——在这方面，最昂贵的时钟并不比最便宜的时钟好。购买的唯一相关标准是时钟是否提供所需的设施、输入和输出。
（我省略了一部分，有兴趣想要具体了解的可以看原文，有关于接口抖动和实验时钟机型的型号文章。）
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发表于 2021-11-19 17:48
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