「看懂看不懂系列」EP2: 数字音频时钟

「看懂看不懂系列」EP2: 数字音频时钟

数字音频时钟肯定不是我们常见的这些：

而是这个样子：

但它们还是有一个共通点：用来计算速度

只不过我们普通的时钟是用来计算平日里的时间流速，而数字音频时钟则是来计算信号发送的速率，那接下来我们就来详细了解一下什么是数字音频时钟吧！

数字音频时钟，全称Digital Audio Clock，在音频领域中主要代表字时钟，也就是Word Clock。我们每个数字音频设备都具有一个内部时钟系统，用于导出音频的时钟速率，并对音频接口和音频的处理进行记录。在 AD/DA 转换领域，数字信号需要精确计时以防止声音失真。

大家也都知道，模拟音频波形在 A/D 转换期间转换为1和0，然后在D/A转换期间再转回模拟波形，就像图上所示的一样：

那为了将持续的模拟信号数字化，我们必须在一个精确且规律性重复的特定区间进行采样。字时钟就是用来控制这个区间，能够将波形重新构建成精确的模拟信号。它的工作原理是发送电能脉冲，让每个设备知道 A/D 和 D/A 转换期间何时进行采样，比如采样率为 48 kHz，则是每秒发送 48,000次脉冲。

而字时钟这一术语也是来源于它能够记录每一个音频样本，用于保持恒定的比特率，以避免可能损害到模拟波形精确性的速率错误，在错误的时间读取或构筑音频样本，从而导致失真。

时钟的精确度称为Jitter（抖动），以纳秒或更短的单位测量，也就是我们理想中的时钟和时钟现实工作中的误差。抖动量越小，音频的读取和播放就越准确，听起来音质就越好。

从图上可以看到，字时钟是一种方形波形，但需要注意的是，它仅包含计时信息，并不包含音频本身。那反过来，如果时钟随着时间的推移缓慢变化，可能导致音频无法准确读取或播放音频并导致失真则称为Drift（偏离）。

那这个时候大家会问了，如果设备里面本身就有时钟了，我们还需要单独配一台时钟吗？

对于这个问题，我们一般分为两种情况：

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如果只想使用一个音频单元，例如一台声卡，那其实就不必太担心时钟，大多数音频接口和操作系统都会解决这些问题，也就是我们所说的内部时钟（Internal Clock）

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如果需要使用多个音频单元，所有设备都需要同步，以便它们都以相同的速率读取和播放音频，那这个时候最好就需要一台独立的时钟来控制速率，这个“为多个设备提供时钟”的单元就是外部时钟（External Clock）。

数字音频设备的外部时钟通常由专门的时钟发生器（Clock Generator）来完成，信号基于同一个时钟源，输出信号被转换为字时钟频率并传输到多个输入口，生成的字时钟频率通常为：44.1 kHz、48 kHz 或 192 kHz等。

举个例子，两个旋转的齿轮必须以相同的速度旋转才能啮合在一起。 如果其中一个旋转得比另一个快，齿轮就不会咬合。而在添加多台设备时，就像一排长链齿轮都以相同的速度旋转一样，所有这些设备都需要在相同的时钟信号下工作，不然就会出现音频信号的混乱。

我们只需要指定一个单元提供该时钟信号，并将时钟发送到其余单元，所以这个时钟我们称之为主时钟（Master Clock），比如我们十分常见的Antelope 10MX。

而外部时钟的基本应用又分为两大类：

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专业音频领域

对于专业音频领域来说，虽然对外声称可以提高音频的质量，但专业音频领域的时钟主要是为了使数字音频设备在工作室环境中同步，以确保数字音频数据之间的转换无误。

因此，时钟的稳定性至关重要，这通常是通过使用安装在时钟发生器中的所谓的 温度补偿时钟振荡器（Temperature-Compensated Clock Oscillators）来实现的。

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普通消费者领域，多为发烧友

当涉及到发烧友设置时，配套音频设备的外部时钟只是为了提高音频质量，因此时钟发生器的稳定性不再被放倒第一位，更重要的是所生成音频时钟的相位噪声需要尽可能小。

了解了时钟的功能和应用后，接下来就到了大家最期待的环节：如果我有一台时钟，我们怎么能让它正常工作，这就牵扯到了我们如何连接时钟的问题了。

时钟信号可以通过两大类不同的方式发送：

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通过专用时钟线（ BNC）

BNC连接是发送数字时钟信号的一种方式，与其他数字连接相比，BNC的优势在于使用专用主时钟更容易同步多个设备，但在使用时我们需要注意：

如果通过 BNC 连接两台以上的设备，请务必在整个链路中使用T型适配器（T-Adaptor）。

必须使用 75 欧姆同轴线缆，普通的消费级同轴线缆（通常用于有线电视）只有50欧姆，无法提供时钟所需的信号量。

需要终止时钟链中的最后一台设备，尤其是对于大型设备连接，这样做可以防止时钟信号反弹而导致连接丢失，有些设备具有终止开关，但更多可能需要购买终止器（Terminator）来连接最后一个T型适配器。

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通过 ADAT、S/PDIF 或 AES/EBU 

等协议发送的数字音频信号

ADAT（Alesis Digital Audio Tape）：使用光纤 TOSlink（光管）电缆，并根据采样率添加多达 8 个额外的 24 bit / 48 kHz 音频通道，使用的采样率将决定传输音频的通道数。

44.1kHz 或48kHz：八通道

88.2kHz 或 96kHz：四通道

176.4kHz 或 192kHz：两个通道

S/PDIF（Sony/Philips Digital Interface Format）：作为AES/EBU的消费级替代品，使用同轴连接口，因为看起来相似的原因经常与 RCA 插孔混淆。

S/PDIF 发送立体声数字信号，而常规RCA线发送两个单声道模拟信号。虽然某些 RCA 电缆可能有效，但还是建议仅使用S/PDIF线缆进行连接

S/PDIF能够承载两个未压缩的PCM音频通道或两个压缩的环绕声DTS音频通道

AES/EBU（Audio Engineering Society/European Broadcasting Union）：通常用于现场活动和广播等专业环境，特别在有大量Live设备且线材长度超过 30 英尺（10米）的情况下。

它们们使用 XLR-to-XLR 或 DB-25线缆来发送数字信号

标准XLR（模拟）电缆的阻抗为75 欧姆，低于AES/EBU电缆的阻抗110 欧姆，虽然可以在紧要关头使用标准XLR电缆，但如果电缆长度超过约5英尺（1.5米），则可能会出现噪音和信号干扰问题

MADI（Multi-channel Audio Digital Interface）：是一种类似于ADAT的数字连接形式，采样率决定了可以通过单个连接使用多少个通道。我们还可以独立路由每个通道，从而更轻松地将信号发送到多个source。这种连接通常用于大型制作环境，例如音乐会和广播。

使用的采样率将决定音频传输的通道数。

24 bit / 48 kHz：64 个输入和输出通道

24 bit / 96 kHz：32 个输入和输出通道

24 bit / 192kHz：16 个输入和输出通道

最大电缆长度取决于所使用的 MADI 电缆类型：

MADI光缆（optical cable）：2000米

MADI同轴线缆（coaxial cable：75欧姆，BNC连接）：100米

在接好线之后，就是我们的重头戏了：根据不同的情况进行设备连接！这里我给大家列举了可能会碰到的几种情况，可以进行一个参考：

将前置放大器连接到音频接口以添加额外的输入，通过 ADAT将其连接到音频接口以扩展 I/O（如果接口支持扩展），这种情况下必须将前置放大器设置为主设备。

通过 ADAT回路来添加额外的输入和输出。可以将前置放大器或音频接口设置为Master，但建议选择时钟技术更好的设备。只要将一台设备配置为 ADAT，另一台设备配置为Internal，就不会遇到任何问题，因为它们是同步的。

如果有多个设备需要通过字时钟同步，则可以使用外部主时钟发生器，特别是在为三个或更多设备提供时钟或涉及视频设备时，使用 BNC线将外部主时钟的输出连接到各个从设备的输入，将外部主时钟设置为主机（Internal），将所有其他设备设置为从机（Word Clock）。

如果不想使用多根BNC线，我们可以使用BNC T-Adaptor，将一根 BNC 电缆从外部主时钟的输出连接到 BNC T型适配器的一端，再将 BNC T型适配器连接到下一个设备的字时钟输入，把BNC线从 T型适配器的另一端连接到链中下一个T型适配器的末端。链条完成后，我们将在最后一个 T型适配器上使用75欧姆 BNC 终止器

今天的内通到这里基本就结束啦，相信大家对于时钟这个概念以及自己是否需要一台独立时钟都有了清楚的认知，那么今天的「看懂看不懂」就先到这里啦，我们下期再见～