Audio-Clocks bei I²S-Lösungen Warum den Systemtakt integrieren?

Datenwandler in Audiostreaming-Anwendungen benötigen einen Haupttakt. Was, wenn dieser zu weit von dem Baustein entfernt ist? Die Idee liegt nahe, neben den einzelnen Wandlern einfach lokale Quarze zu verwenden. Aber ist das eine gute Lösung?

Wenn es um das Thema Audio geht, ist von Zeit zu Zeit auch die Rede von I²S. Dabei handelt es sich kurz gesagt um eine synchrone Methode, um Stereo-Audiodaten zwischen zwei Punkten zu übertragen. Größtenteils herrscht die Meinung vor, dass I²S nur drei verschiedene Signale umfasse:

  1. Daten: in Form eines Ein- oder Ausgangs;
  2. Bittakt (BCK): das Signal, das die Grenze zwischen benachbarten Bits in den Datenströmen bildet;
  3. linker/rechter Takt (LRCK) bzw. Worttakt: ein langsamerer Takt, der mit der Audioabtastrate und einem 50-Prozent-Arbeitszyklus ausgeführt wird und die Grenze zwischen benachbarten Kanälen (links und rechts) im Datenstrom bildet.

Der heimliche und eigentliche »Held« von I²S – und den Programmierer digitaler Signalprozessoren (DSPs) und andere Prozessorfanatiker in den meisten Fällen ignorieren – ist der Haupttakt (MCK), oft auch als Systemtakt (SCK) bezeichnet. Dabei handelt es sich normalerweise um ein Signal, das dem 64-, 128-, 256-, 512-Fachen der Abtastrate (FS) entspricht. Er kann direkt über einen Eingangspin bereitgestellt oder bei einigen Geräten per Phasenregelkreis (Phase-Locked Loop, PLL) intern generiert werden.

Im Normalfall ist für DSPs kein Audio-Haupttaktgeber erforderlich, da Daten mit einer völlig anderen Rate verarbeitet und in Ausgabepuffern abgelegt werden können (Daten können auch über Eingangspuffer empfangen werden). Dies erfolgt mit einer BCK- und LRCK-gesteuerten Rate.

Außerhalb des Prozessors übernimmt der Audio-Haupttakt eine deutlich wichtigere Rolle. Bei den meisten Audiowandlern mit MCK/SCK-Eingängen müssen die Takte synchronisiert sein, während in einigen Fällen die Phasen verschoben sein können. Demnach müssen sie in der Tat von demselben Hochgeschwindigkeitstakt stammen und einfach aufgeteilt werden. Einige Kunden, mit denen ich gesprochen habe, berichteten von folgendem Gedankenblitz: »Mein Analog/Digital-Wandler benötigt einen Haupttakt, aber der ist zu weit von meinem Wandler entfernt. Also verwende ich neben den einzelnen Wandlern einfach lokale Quarze ...«. Diese Idee leuchtet ein, aber bitte: TUN SIE DAS NICHT!

Wenn Sie einen Quarz kaufen, haben Sie keine Garantie, dass er exakt 48,000 kHz hat. Möglicherweise arbeitet der Kristall Ihres A/D-Wandlers (ADC) mit +5 Prozent Abweichung, während die des D/A-Wandlers (DAC) möglicherweise -5 Prozent beträgt. Für Ihr Design wäre dies ein Desaster! Warum?