Clocks im DA-Wandler

Hans-Martin hat geschrieben: 02.09.2020, 00:01

https://www.soundonsound.com/techniques/does-your-studio-need-digital-master-clock hat geschrieben:The issue here is that it is much easier to design a good clock circuit using a fixed crystal inside the unit ...

today's converter designs generally work best on their own internal clocks

Hallo Hans-Martin,

an genau dieser Stelle habe ich den Knoten im Kopf.

Das würde ich gern am Beispiel spdif diskutieren.

Wenn ich mir hier den Konverter als Signalgenerator vorstelle, welcher z.B. einen Sinus mit konstanter Frequenz ausgibt, dann erschliesst sich mir die interne Clock.
Was ist aber nun (im Hinblick auf Perfektion) mit einem DAC mit einem internen Quarzoszillator zu tun? Der macht bei entsprechendem Design einen wunderbaren Takt. Leider bekommt der DAC Daten von aussen. Der Takt der Daten ist mit großer Wahrscheinlichkeit nicht identisch (dann bräuchte es logisch gesehen den internen Takt ja auch nicht) und dazu dann auch verjittert. Wie wird nun das Problem Buffer-Overflow bzw. -Underrun gelöst?
Es gibt das PLL-Konzept, welches einen spannungsgesteuerten Oszillator beinhaltet. Dessen Frequenz wird nun dem Eingangstakt nachgeführt. Sie ist aber wiederum anders als die perfekte interne Quarzclock.
Wie also werden nun externer Takt - intern aufbereiteter externer Takt (PLL) und perfekter Takt (Quarz) so zusammengebracht, dass keine Daten überlaufen bzw. verloren gehen? Sind die Takte daneben passiert das fix, sind die Takte eng beieinander dann dauert es evtl. lange, aber es passiert.
Nicht passiert es, wenn der Ausgabetakt dem Eingangstakt (inkl. Aufbereitung) nachgeführt wird. Dann ist man aber wiederum vom Eingangstakt abhängig, die perfekte Clock auf dem DAC macht dann welchen Sinn?

Grüsse
Uli

Hali Uli,

uli.brueggemann hat geschrieben: 02.09.2020, 12:41 Nicht passiert es, wenn der Ausgabetakt dem Eingangstakt (inkl. Aufbereitung) nachgeführt wird. Dann ist man aber wiederum vom Eingangstakt abhängig, die perfekte Clock auf dem DAC macht dann welchen Sinn?

So eine Konstellation tritt doch bei DACs mit verbautem ASRC auf. Die Eingangsseite synchronisiert per PLL auf das Eingangsignal, es gibt keine Puffer under-/overruns. Der ASRC resampled das Signal dann auf die feste Clock auf der Ausgangsseite des DACs. Aber: Das Resampling über den ASRC nimmt die Auswirkungen des PLL Jitter wie Modulation mit in das neue Signal mit neuer Clock.

Grüße,
Andree

Buschel hat geschrieben: 02.09.2020, 14:49 Hali Uli,

uli.brueggemann hat geschrieben: 02.09.2020, 12:41 Nicht passiert es, wenn der Ausgabetakt dem Eingangstakt (inkl. Aufbereitung) nachgeführt wird. Dann ist man aber wiederum vom Eingangstakt abhängig, die perfekte Clock auf dem DAC macht dann welchen Sinn?

So eine Konstellation tritt doch bei DACs mit verbautem ASRC auf. Die Eingangsseite synchronisiert per PLL auf das Eingangsignal, es gibt keine Puffer under-/overruns. Der ASRC resampled das Signal dann auf die feste Clock auf der Ausgangsseite des DACs. Aber: Das Resampling über den ASRC nimmt die Auswirkungen des PLL Jitter wie Modulation mit in das neue Signal mit neuer Clock.

Andree,

* zustimm *
Dein letzter Satz lässt mich aber wiederum nur fragen: die perfekte Clock auf dem DAC macht dann welchen Sinn?

Grüsse
Uli

Hallo Uli,

so ein DAC kann dann zumindest mit selbst getakteten Audiosignalen wie zB USB-Audio ideal umgehen. Deswegen bevorzuge ich immer noch USB, da laufen keine zwei Audio Clocks auseinander oder müssen synchronisiert werden.

Für den SPDIF-Fall hilft so ein Setup aber aus meiner Sicht nix. Man kann so aber den Designvorteil einer festen/tollen Clock für USB nutzen und trotzdem SPDIF-Input verarbeiten.

Grüße,
Andree

Hallo Andree,

gut, das versteh ich soweit.
Mit USB wird dann insoweit die Struktur geändert, dass nun ein Zwischenspeicher realisiert wird in den die USB-Seite reinschreibt und die DAC-Seite mit toller Clock ausliest. Die Synchronisation erfolgt dann auch z.B. damit, dass eben der Speicher neue Daten vom USB anfordert, wenn der Speicher bzw. Wechselspeicher leer wird. Damit lässt sich dann die tolle Clock konkret umsetzen, sofern es zumindest keinen Speicherzugriffskonflikt (bei Daten- und Adressleitungen) gibt.
Wie aber ja immer wieder berichtet wird (ich ziehe das übrigens nicht in Zweifel) ist das Ergebnis immer wieder anders, je nachdem was da vor dem USB-Receiver hängt. Prozessoren, Switches, Kabel, Netzteil etc., alles scheint da auf die tolle Clock durchzuschlagen. Was nutzt die dann?

Grüsse
Uli

Hallo Uli,

ob da wirklich was auf die Clock durchschlägt oder anderweitig EMV oder Störungen eingebracht werden, weiß ja niemand... Von daher: die tolle Clock im DAC schadet sicher nicht.

Grüße,
Andree

Hallo Uli

Dieses ganze theoretisieren ist fachlich beileibe wichtig, und sinnvoll.
Auch ich möchte klangliche Veränderungen gerne immer verstehen wollen, und Ursachen dafür finden.
Jedoch haben wir alle irgendwann einmal gelernt, entweder übersehen wir etwas, oder kennen den Grund einfach nicht.

So würde ich vorschlagen, genau dein Thema in der Praxis zu versuchen.
Man baut eine OCXO Clock in einen DAC mit Clock, und hört, ob etwas passiert.
Dann hat man schon mal, oder auch nicht, die hörbare Änderung. Nun muss man im ersten Fall nur noch forschen, worans liegt.
Bildlich gesehen muss ich einmal im Regen wandern, um das Wort Nass zu verstehen.

Im Virtuellen wird man dem nicht unbedingt beikommen, weil man Auswirkungen beliebig setzen kann.
Und verfängt sich meist in seiner eigenen Logik. Zumindest geht es mir so.
So kam ich auf den Satz: Wer es nicht versucht, kann nicht wirklich mitreden. (Allgemein gemeint, nicht nur zu dieser Thematik)

Gruß
Stephan

uli.brueggemann hat geschrieben: 02.09.2020, 12:41 Wie wird nun das Problem Buffer-Overflow bzw. -Underrun gelöst?
Es gibt das PLL-Konzept, welches einen spannungsgesteuerten Oszillator beinhaltet. Dessen Frequenz wird nun dem Eingangstakt nachgeführt. Sie ist aber wiederum anders als die perfekte interne Quarzclock.
Wie also werden nun externer Takt - intern aufbereiteter externer Takt (PLL) und perfekter Takt (Quarz) so zusammengebracht, dass keine Daten überlaufen bzw. verloren gehen? Sind die Takte daneben passiert das fix, sind die Takte eng beieinander dann dauert es evtl. lange, aber es passiert.
Nicht passiert es, wenn der Ausgabetakt dem Eingangstakt (inkl. Aufbereitung) nachgeführt wird. Dann ist man aber wiederum vom Eingangstakt abhängig, die perfekte Clock auf dem DAC macht dann welchen Sinn?

Hallo,
da ist der springende Punkt, und da sehen wir wohl noch Konkretisierungsbedarf.
Die Befüllung des Pufferspeichers geschieht erzwungenermaßen in Echtzeit von der Quelle aus. CD-Format SPDIF hat 192 * 64 Bit Frames (L=32 + R=32Bit)+ 384 Bits Channelstatus + Subcode. Da hat man viele Datenbits, die dem DAC-Chip nicht zugeführt werden müssen, der bekommt vielleicht nur je 24, die aber möglichst präzise getaktet werden müssen. Düe überflüssigen Bits schaffen zwar Spielräume, aber nicht in der Zeitebene der Wordclock, und so geht es hier nicht ohne PLLs.
Schaut man sich das Blockdiagramm eines Wolfson Eingangsreceivers an, hat der eine PLL, um die Eingangs-Abtastrate zu erkennen, und eine PLL, mit der ein passendes Teilerverhältnis ausgewählt wird, um die Referenzoszillatorfrequenz auf die Masterclockfrequenz herunterzuteilen (so stellt das Wolfson dar, rät zu einer hohen Oszillatorfrequenz bis 100MHz).
Mit einer höheren Referenzfrequenz gelingt das genauer und die PLL kann auch schneller einrasten.
Von einem jitterärmeren Referenzoszillator kommt auch eine heruntergeteilte Clock jitterärmer zustande, weil der mathematische Teiler nur bei Bedarf geändert wird.
Ohne PLLs scheint es auch hier nicht zu laufen. Und im Zusammenspiel beider PLLs schlagen schließlich Unregelmäßigkeiten beim Füttern des Eingangsspeichers durch, kennt man ähnlich vom CD-Player...
Ein jitterärmeres Eingangssignal lässt die PLL weniger im Fangbereich herumeiern.

Von CD-Player Umbauten kennen wir den segensreichen Einfluss einer besseren Masterclock, eine PLL sorgt für die richtige Drehzahl der CD, damit die Auslesedaten im richtigen Zeitfenster eingehen, dann wird gepuffert, entschachtelt, fehrlerkorrigiert und nun final masterclockgetaktet aus- bzw. weitergegeben. Die Erfahrung zeigt, dass jitterreduzierende Maßnahmen, die man auf den Tonträger CD anwendet, sich immer noch positiv bemerkbar machen, auch wenn die beste Clock am Ende neutaktet. Ersetzt man den einfachen Pierce-Quarzoszillator durch eine jitterärmste Clock auf mechanisch und stromversorgungsmäßig entkoppelter separater Platine, ist der Zugewinn groß, löst aber offenbar nicht alle Probleme mit einem Generalstreich.
Wer setzt schon zum Nachtakten 2 FlipFlops hintereinander ein? viewtopic.php?p=38819#p38819 - die Bilder sprechen eine deutliche Sprache. Sind die (einzelnen) FlipFlops in ASRC-ICs besser?

Eine Beschreibung der Aufbaus zwischen Pufferspeicher und Abstastratenwandlung findet man im Datenblatt des AD1896A https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet ... 6AYRS.html. Gedithert wird da auch...
Der Burr Brown SRC4192 ist zwar im Ergebnis besser, aber seine Applikationsschrift gibt weniger erklärende Details her:
https://www.alldatasheet.com/datasheet- ... C4192.html

Wären da nicht Zwischenschritte wie Pufferspeicher und Upsampling mit Interpolation, sondern klare Verhältnisse mit nur einer Abtastrate, könnte der DAC mit geradzahligen Vielfachen der Abtastrate arbeiten, dann könnte man aus der Masterclock des DAC binär heruntergeteilt die Quelle takten und synchronisieren, die PLLs im Signalweg auf Optimum einschwingen lassen oder gar auf diese verzichten (Bypass Funktion beim 4192).

Für mich wäre denkbar, umzuschaltende 2 Oszillatoren mit 45,1584MHz und 49,152MHz beim SRC4192 einzusetzen (der AD1896A verträgt nur die halbe Frequenz, Maximal 30MHz).
Möglicherweise wäre dann die Entscheidung, ob OCXO oder TCXO, von größerer Bedeutung.
Einen SRC-Eingangsbaustein, der mit 2 Masterclocks arbeitet, diese je nach im Eingang von der Quelle angelieferter Abtastrate passend selbst auswählt, habe ich noch nicht gesehen, habe aber auch schon 15 Jahre mich diesbezüglich auf dem Laufenden gehalten, weil ich zu 95% Musikmaterial im CD-Format höre und mein bevorzugter Signalweg ohne Abtastratenwandler und PLLs arbeitet, mit der Masterclock die Quellen CD-Player und Renderer synchronisierend).
Grüße
Hans-Martin

P.S. Bei einem Renderer wie Yamaha NP S-303 geht Clocksynchronisation allerdings nicht, weil der nicht 2 Clocks hat, sondern intern nach Bedarf des gewählten Programmaterials synthetisiert.

... abgetrennt aus dem Eversolo Thread . Jürgen



Moin Horst,

Trinnov hat geschrieben: 04.11.2024, 11:3110 MHz Eingang vermisse ich nicht, denn die Qualität einer REF10 SE120 o.ä. kommt eh nicht beim Chip an.

Da bin ich völlig anderer Meinung. Weil ich den Unterschied vom Netzwerk Reclocking ganz klar heraushöre. Aber auch erst, seitdem ich extrem gute OCXO Clocks mit geringem Phasenrauschen im 10Hz Bereich verwende. Und zwar sowas hier:

10 Hz Phasenrauschen Messwerte
- Afterdark Emperor Giesemann: -145 dBc/Hz
- Mutec REF10 SE120: -148 dBc/Hz

Solche Clocks sind extrem teuer.

Upton Audio hat in seinem Tech Corner ein White Paper veröffentlicht. Dort wird im Kapitel "1) Jitter carried through digital data" beschrieben, warum es beim Reclocking auf das Phasenrauschen im 10Hz Bereich ankommt.

Die These ist, dass das Phasenrauschspektrum der eingehenden Daten das Phasenrauschspektrum der lokalen Uhr überlagert. So gelangt Phasenrauschen von einem Gerät zum nächsten, auch über optische Verbindungen!

Der Autor ist John Swenson, der über 30 Jahre als Projektleiter in der Halbleiterindustrie tätig war.

Grüße Gabriel

Hallo,

Trinnov hat geschrieben: 04.11.2024, 11:31 10 MHz Eingang vermisse ich nicht, denn die Qualität einer REF10 SE120 o.ä. kommt eh nicht beim Chip an.
Die bessere Umsetzung ist immer eine top Clock Qualität direkt am jeweiligen Chip (USB, DAC, Ethernet oder andere Anwendungen) statt externem Clock input.

Ich habe nichts gegen gute OCXOs direkt am Chip, insofern bin ich gleicher Meinung mit dir.
Statt einer REF10 SE120 besitze ich (noch) nur eine REF10 - aber ich habe noch nie erlebt, dass diese NICHT hörbar wirkte. Hier habe ich also eine andere Hörerfahrung gemacht. Von daher würde mich ein ZUSÄTZLICHER Clock-EIngang (nicht anstelle von) freuen. Ein Fehlen spricht aber nicht gegen das Gerät 😎

Grüße
Jörg

Hallo,

bitte jetzt nicht falsch verstehen.
Natürlich lohnt sich eine sehr gute externe 10 MHz Clock.
Der klangliche Unterschied zu einer normalen internen wird bestimmt deutlich hörbar sein.
Du verlierst aber immer ein paar dB vom OCXO Baustein der externen Clock bis zum Clockeingang des Chip der versorgt werden soll.
Das heißt, hättest du die gleiche Clockqualität der 10 MHz Clock direkt am internen Chip (DAC Chip, USB Chip oder ähnliches), dann würde es noch besser klingen. Zumindest in Setups, die das darstellen können.

Viele Grüße
Horst

Hallo zusammen,

da die heutigen OCXO Beiträge nun im richtigen Thread sind, will ich noch ein paar Dinge dazu sagen.
Somit gibt es nachfolgend einen längeren Aufsatz über unsere lieben OCXOs.

Der ursprüngliche Einsatzort von OCXOs war anfangs insbesondere hochwertige Messtechnik.
Nehmen wir zum Beispiel einen Frequenzzähler.
Die gemessene Frequenz sollte sehr exakt der tatsächlichen Frequenz des Messobjekts entsprechen.
Daher hat man die Clock des Messgerätes beheizt. Stichwort Quarzofen.
Der Techniker hat einfach den Hochpräzisionszähler, das digitaler Oszilloskop usw. zum Beispiel eine Stunde vor Ausführen der Messaufgabe eingeschaltet und damit waren die Messungen immer sehr präzise.
Der Quarz (idealerweise eine SC-Cut Variante), das wichtigste Bauteil eines OCXO Bausteins, wird dabei auf die sogenannte Umkehrtemperatur aufgeheizt und über einen Temperaturregelkreis wird exakt diese Umkehrtemperatur (bei SC-Cut Quarzen 70 - 80°C) gehalten.
Bei dieser Umkehrtemperatur findet wie der Name schon sagt eine Umkehr der Temperatur-Abhängigkeit der Quarzfrequenz statt.
Damit der Heizstromverbrauch nach der OCXO Aufheizphase (ca. 1 Minute) niedrig bleibt bzw. genauer gesagt sich auf einen sehr kleinen Stromwert reduziert, hat man um das OCXO Gehäuse noch ein Umgehäuse gebaut. Also ein Gehäuse im Gehäuse. Quasi wie bei Matroschka Figuren.
Leider haben sich die Hersteller hochwertiger, audiotauglicher OCXOs auf die bei Messgeräten übliche Frequenz von 10 MHz eingeschossen.
Will man 24 MHz (USB), 25 MHz (Netzwerk) oder gar Audiofrequenz Pärchen mit 22,579/24,576 MHz oder 45,158/49,152 MHz, schaut es ganz düster aus.
Das wird dann nur bei großen Stückzahlen möglich. Sonder eben.

Die Herstellung von OCXOs ist, wenn etwas richtig hochwertiges dabei herauskommen soll, sehr aufwändig. Es hat seinen Grund, warum man Monate warten muss, wenn man OCXOs bestellt, die nicht im Lager liegen sondern erst nach Auftragseingang produziert werden.
Die Quarze werden selektiert. Die höchste Selektionsstufe produziert das geringste Phasenrauschen im trägernahen Bereich und ist somit auch mit Abstand am teuersten.
Quarze altern aber und somit kann man so einen Quarz nicht einfach in die elektronische Schaltung einbauen und das beheizte Gehäuse zulöten.
Die Quarze werden über Wochen oder Monate im Dauerbetrieb betrieben und somit die erste Lebensphase, die die größte Alterung bewirkt, bewusst vor der Auslieferung abzuspulen. Über eine interne Schaltung kann nach Abschluss dieser Phase dann der Quarz auf die exakte Sollfrequenz gezogen werden.
Der zukünftige Frequenzdrift fällt dann erheblich geringer aus.

Viele Grüße
Horst

Der OCXO im REF10 SE120 oder auch der im Giesemann EVA Clock stellt beim Zulieferer sicherlich die höchste Selektionsstufe dar. Das will bezahlt werden und somit schnellen die 10 MHz Clock Preise in die Höhe. Ich weiß aber absolut nicht wie viel Prozent der Quarze diese Stufe erreichen. Wäre tatsächlich sehr interessant.
Mir sind nur drei Hersteller weltweit bekannt, die das Know-how haben um richtig gute OCXOs herzustellen.
Für den Einsatz in Audiogeräten interessiert uns insbesondere das trägernahe Phasenrauschen.
Also 1 Hz und 10 Hz neben der Sollfrequenz. Hier muss das Phasenrauschen sehr gering sein, um kritische Anwender überzeugen zu können.
Im Bereich des Noise Floor, in Phase Noise Plots also größer 1 KHz bis z.B. 1MHz ist der Wert für Audio weniger bis gar nicht von Bedeutung.
Vergleicht man das Phasenrauschen einer Auswahl von OCXOs nur ab 1 KHz und höher neben der Trägerfrequenz, kann keinerlei Eignung für Audioanwendung von den Werten abgeleitet werden.
Hersteller, die etwas zu verbergen haben, geben das Phasenrauschen erst z.B. ab 10 KHz neben der Sollfrequenz an. Von so etwas sollte man dann sowieso Abstand halten.
Also betrachten wir nur 1 Hz und 10 Hz bzw. noch niedriger.

Die beste Clock die ich gefunden habe, gibt auch noch den Wert bei 0,01Hz und 0,1Hz neben dem Träger an.
Eine unvorstellbar hohe Clockpräzision !

Alle Werte in dBc/Hz
0.01 Hz -42
0.1 Hz -91
1Hz -123
10 Hz -151
100 Hz -162
1 KHz -170
10 KHz -172
100 KHz -172

So etwas kostet natürlich dann entsprechend mehr.
Eingesetzt wird diese Qualität im Bereich Militär, Medizin (hochauflösende MRT usw.), Satellitentechnik, Raumfahrt und Luftfahrfahrt usw.
Das erklärt dann auch die Einstufung beim Zoll als „Dual-Use“ Güter. Diese können eben auch in hochpräzisen militärischen Waffensystemen eingesetzt werden und daher möchte der Zoll schon wissen wer die Ware bekommt und was der dann damit macht. Zivile oder militärische Nutzung.


Viele Grüße
Horst

Für Audio sollten wir immer wie gesagt das trägernahe Phasenrauschen bewerten.
Ein weiteres aussagekräftiges Kriterium ist der Parameter „Allan Deviation“ (1 Hz)
Für mehr Details bitte selbst einlesen.

Ich hatte früher immer das Problem dass ich eine Clock bezüglich Audio Tauglichkeit trotzdem nicht einschätzen konnte. Insbesondere das qualitative Vergleichen von 10 MHz Clocks mit z.B. 24 MHz oder höher war nie wirklich möglich.
Dann habe ich ein Tool gefunden, mit dem man das Phasenrauschen aus einen Phase Noise Plot heraus oder aus einem Datenblatt in einen relevanten Jitterwert umrechnen konnte. Für mich ein Wendepunkt, denn nun konnte ich die Produkte von Lieferanten bezüglich Audio Eignung viel besser bewerten und die für mich passenden Produkte (loser OCXO Baustein, keine kpl. 10 MHz Clock) einkaufen. Ich benötige ausschließlich den OCXO Baustein da ich das Bauteil direkt am Chip integriere.
Jitter ist nicht gleich Jitter. Uns interessiert wie schon mehrmals erwähnt für Audio nur die Integrationsbandbreite 1Hz - 10Hz
Erfreulicherweise geht bei der Jitterberechnung, die genauer gesagt eine Berechnung der Gleichlaufschwankung der Clock ist, neben der Integrationsbandbreite auch die Clockfrequenz mit ein. Das macht es endlich möglich Clocks verschiedener Frequenzen direkt miteinander zu vergleichen. Dabei sind Balkendiagramme sehr anschaulich.
Da die Afterdark Clocks sehr beliebt sind, habe ich neben den beiden Mutec Clocks auch diese ins Balkendiagramm aufgenommen.
Die bei Audio verbreiteten TCXOs habe ich nicht in das Balkendiagramm aufgenommen, da sich dann die hochwertigen OCXOs von der Balkenhöhe her nur noch 1 - 2mm von der Nulllinie abgehoben hätten.

Ein Vergleichsdiagramm OCXO / TCXO oder auch Vergleich top OCXOs mit Standardware OCXOs wäre aber trotzdem über ein weiteres Diagramm möglich.





Viele Grüße
Horst

Hallo Horst,

danke für die interessante Graphik, denn Sie bestätigt wie z.B. Afterdark seine Produktpalette bzw. die Preisabstufung rechtfertigt. Außerdem zeigt sie, dass sich das Phasenrauschen (und die Allen Deviation) des Quarzes bis ins Endprodukt verfolgen lässt. Möglicherweise erfolgt auch erst dann die Selektion in die einzelnen Qualitätstufen. Das geht nicht nur aus den Spezifikationen hervor, sondern durch ganz individuelle Messschriebe der Clocks, die mit dem Produkt mitgeliefert werden. Deine Graphik erlaubt auch einen Konkurrenzvergleich, jedenfalls bezogen auf den gemessenen Parameter.

Viele Grüße
Horst-Dieter