【意訳】John Swensonによるマスタークロックの論文

ネットワークスイッチをEtherREGENに変更したので、手頃な10MHzマスタークロックを導入しました。

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過去の経験上、安価な外部クロックを使うメリットはほぼ無いと思っていたので、導入する予定はありませんでした。

UpTone Audioのクロックに対する考え方の記事を読んで、組合わせによっては安価なクロックでも効果がありそうだと思い直し、導入することにしました。

クロックには大きく分けて、10MHzで出力する製品、分周して44.1KHz系および48kHz系に出力する製品、その両方の出力を備えた製品に分類されます。

CDの時代は44.1kHz系だけで問題ありませんでしたが、ファイル再生が普及すると音源によって44.1KHz系、48kHz系の切り替えをするのがとても面倒です。

そこで10MHzをそのまま突っ込んでしまう機器が増えたと思います。

UpTone Audioをはじめとするオーディオスイッチは、様々な周波数を扱いますので10MHz入力が現実的です。
以降は10MHzマスタークロックに絞って話を進めます。

目次

Uptone AudioのJohn Swensonによるクロックの論文

公式の論文に沿って私なりに噛み砕いた内容を紹介していきます。
自動翻訳ソフトで多少手を加えた意訳です。

参考: Considerations regarding 10MHz external reference clocks: Sine/Square wave;
Impedance; Cabling; Filters

ノイズの種類 – 振幅変調と位相ノイズ

Amplitude Modulation(振幅変調)とPhase Modulation(位相ノイズ)

まず最初に、AMとPMの2種類のノイズとその特性について理解する必要があります。
AMとはAmplitude Modulation(振幅変調)の略で、多くの人が「ノイズ」と呼ぶのはこのことであり、信号の振幅が変化することです。有名な「テープヒス」はAMノイズです。

PMはPhase Modulationの略で、位相ノイズのことです。これは振幅ではなく、タイミング(ジッター)に関係するものです。(位相ノイズとは何かについては、ここでは詳しく説明しません。それはかなり複雑な内容です)。

クロックの位相ノイズと、それがチップとインタフェースを介して伝搬することは、デジタルオーディオでは非常に重要である、というだけで十分でしょう。AMが問題になるのは、ある状況下でAMがPMになることがあるからです。
オシロスコープの画面では、AM は垂直、PM は水平です。

AMからPMへ

AMノイズがPMノイズに変換されてしまうことがあります。

このため、クロックは少し複雑になります。
既存のクロック信号にPMが追加されるプロセスを理解することが重要です。

Sine Wave Square Wave

まず、正弦波の場合について説明します。

スコープに表示される「きれいな」信号は、 “正弦波 “が滑らかに上下し、非常に細い線が描かれています。AMが追加されると、その線は “ぼやけて “しまいます。

これは、「きれいな」信号に振幅が加わったことを示しています。
正弦波を矩形波に変換するクロックレシーバーでは、スレッショルド電圧があります。信号がしきい値を超えると出力が高くなり、信号がしきい値を下回ると出力が低くなります。

完全にクリーンな入力信号であれば、この変化の間の時間は常に同じです。しかし、AMが加わると、信号がスレッショルドに到達するのが少し早くなったり遅くなったりします。
閾値に到達するタイミングに変化が加わり、結果としてPM(PhaseModulation)が発生します。

その時間変化の大きさは、信号の傾きによって決まります。信号がゆっくりと上昇または下降している場合、急激に動いている信号(PMが低い)よりもはるかに大きな時間差が生じます(PMが高い)。

正弦波の傾きは、矩形波の傾きよりもはるかに小さい。
理想的な矩形波には傾きがなく、むしろ瞬間的な「エッジ」があります。

しかし、現実にはそうはいきません。常にある程度の傾きがありますが、非常に急な立ち上がりになることがあります。

そこで、正弦波と矩形波のAM/PM変換で何が起こるかを見てみましょう。

正弦波の場合、傾きが小さいということは、時間変化が大きいということです。しかし、同じAM量であれば、矩形波の方が時間変化ははるかに小さくなります。

つまり、入力側の受信機は、正弦波の方が矩形波よりもAMに敏感に反応するということです。
受信機の面白いところは、この感度が受信機ごとに異なることです。

主な違いは、帯域によるものです。

通常、信号に含まれるAMは非常に広帯域(多くの異なる周波数を含む)なのでクロック周波数以外の周波数をフィルタリングすると、AMの量が非常に少なくなります。
これにより、正弦波AMに対する感度が劇的に低下します。

EtherREGENのクロック・レシーバーは、私たちが使用しているクロック・シンセサイザーの内部にあり、非常に幅広い入力クロック周波数に対応できるように設計されています。

この入力はAMノイズに非常に敏感です。したがって、低位相ノイズの正弦波を生成するためには、AMが非常に低い必要があります。

インピーダンス

インピーダンスのマッチングは、AM-PM変換に非常に大きな影響を与えます。
矩形波は、インピーダンスの不整合によって大きく歪むが、正弦波はほとんど影響を受けない。

矩形波の歪みは、AMからPMへの変換感度に大きな影響を与える可能性があります(大きなインピーダンスミスマッチが存在する場合、より高いPM矩形波の歪みは、AMからPMへの変換感度に大きく影響します。)

インピーダンスミスマッチは、クロックボックスの内部、コネクターやケーブル、受信機の内部にも存在します。
もし矩形波のクロックを使用している場合は、これらが一致していることを確認する必要があります。

ケーブルの種類

クロックに関わるケーブルには、インピーダンス、シールド、帯域制限の3つの主な要素があります。

インピーダンスについてはよくご存知でしょう。今回の目的では、50Ωと75Ωのどちらかを選択します。
どちらが良いとか悪いとかではなく、マッチしていれば良いのです。

注意していただきたいのは、「75Ω」と書かれていても、端に50Ωのコネクタが付いているケーブルがたくさんあるということです。

ケーブルによって、シングル、ダブル、セミリジッドなど、シールドの種類が異なります。
遮蔽性はシングルが最も悪く、セミ・リジッドが最も良い。遮蔽性が高くなると、ケーブルの価格も上昇します。シングルシールドのケーブルの場合、仕様書にはシールドの種類は記載されていません。

セミ・リジッドとは、基本的には銅管の内側にテフロン加工を施し、中央に導体を配置したものです。
100%のシールド効果がありますが、ケーブルが固いので隣り合った機器間の接続は困難です。

すべての同軸ケーブルは、周波数の上昇に伴い減衰します。
10MHzでの減衰量は常に非常に小さいのですが、周波数が高くなるにつれて、減衰量は非常に大きくなります。

これを決めるのは、ケーブルの中心導体とシールドの間の絶縁体の材質、ケーブルの直径です。
テフロンやポリプロピレン、一部のシリコンゴムは、安価な絶縁体(PTFE)に比べて、周波数の上昇に伴う減衰量が非常に少ないのが特徴です。

では、なぜこれが重要なのでしょうか。矩形波は、一連の「高調波」で構成されており、これが信号を「矩形」にしています。
これらの高調波を減衰させると、信号が「丸く」なり、エッジの傾きが大幅に小さくなります。
これにより、AM/PM変換の感度が向上し、PMが増加します。
しかし、正弦波には高調波がないので、この違いはありません。

組み合わせ – 正弦波と矩形波で注意すること

さて、ここからが面白いところですが、今まで紹介した要素がどのように相互作用するかについてです。

まず、正弦波と矩形波の選択について。

正弦波の場合、AMとPMの感度は高いのですが、インピーダンスの不整合や、周波数の上昇に伴うケーブルの減衰の影響を受けにくいという特徴があります。

AM/PM感度が高いので、シールド性の高いケーブルを使用したいところです。
しかし、信号に含まれるAMノイズ対策にははなりません。外部クロックから拾ってしまうのです。

矩形波の場合は、適切なインピーダンスマッチを確認する必要があります。
ケーブルのシールドは重要ではありませんが、周波数による減衰の変化が小さいことが望まれます。

正弦波と矩形波は、どちらが良いのでしょうか?
それを判断するのはとても難しいことです。もし、クロックボックスに非常に優れた正弦波-矩形波コンバーターが内蔵されている場合(正しく設計された非常に優れた製品もありますが、何が内蔵されているかは誰にもわかりません。)、
正しいインピーダンスの適切なケーブル(周波数による減衰が少ない)を手に入れれば、矩形波の方が良い結果をもたらすでしょう。

内蔵コンバーターが優れていない場合、正弦波の方が良いかもしれません。
もちろん、しっかりとシールドされたケーブルを使用することをお勧めします。残念ながら、このような状況を見極める簡単な方法はありません。

正弦波は、設計者がインピーダンスマッチングを間違えても問題ないので、ある意味では簡単です。
しかし、正弦波にはそもそも多くのAMが含まれている可能性があります。

フィルター

BLP-10.7+

上記のアドバイスに影響を与えるもう一つのコンセプトがあります。負荷側での正弦波信号のフィルタリングです。

もし、10MHzの正弦波信号を、10MHz以外のものを極端に減衰させるように設計されたフィルターに通すと、その正弦波に含まれるほとんどのAMを取り除くことができます。

おすすめの方法

上記の点を考慮すると、正弦波出力を使用し、それを適切なフィルタを通して接続するのが良い方法です。
この構成では、優れたシールドも周波数による低減衰も必要としないので、高価なケーブルは必要ありません。

インピーダンスの不整合も問題ありません。
クロックボックスから出てくる位相ノイズは、Etherの内部回路に供給されるものとほとんど同じになります。

このようなフィルターを作っているのは、ミニサーキットという会社です。この会社は何百種類もの高周波フィルタを製造しています。

正弦波クロックに必要なものは、部品番号BLP-10.7-75+またはBLP-10.7+です。
これは精密なローパスフィルタで、DCから11MHzまでの周波数を通し、その範囲以外をフィルタリングします。

2つの品番の違いは、一方が75Ω、もう一方が50Ωであることです。

しかし、この論文で説明されていることを理解していれば今回の正弦波クロックの用途では、どちらのインピーダンスフィルターを選ぶかは全く問題ではないことがわかります。

この方法を使えば、どんなものでもうまくいくでしょう。

ただ、最良の結果を得るためには、やはり矩形波クロックボックスと非常に優れた正弦波-矩形波コンバーターを使用し、ボックス内のすべての要素が最適であること。

また、周波数による減衰が少ないケーブルを使用することです。

しかし、本当に優れた矩形波クロックボックスとそれに見合ったケーブルは決して安くはありません。

だから、箱の中がどうなっているかわからない場合は、正弦波クロックと上記のフィルターを使用することが、実際に内部の発振器の低位相ノイズ特性を得るための最良の方法でしょう。

ボックス内のオシレーターの低位相ノイズ特性を確実に得るための最良の方法です。

GPS基準周波数発生器(GPSDO、GNSSDO)について

今回の論文とはソース元は別ですが、GPS基準周波数発生器について氏の見解です。
私が導入した10MHzクロックにもオプションでGPSを付けられますが、氏の意見を参考にしてOCXOだけにしました。

これも意訳します。

GPS/GNSS基準周波数発生器について。

これは、出力周波数を正確に取得し、何年もドリフトすることなく、その周波数を維持する方法です。

この極めて安定した周波数は、デジタルオーディオに必要なものではありません。

私たちは、極めて低い位相ノイズに興味があるのです。OCXOは非常に低い位相ノイズを持つことができます(すべてがそうではありません)。GPSは、グランドプレーンと電源にノイズを加えるだけで、OCXOの位相ノイズを悪化させるだけです。

ですから、デジタル・オーディオの場合、GPSDOは、同じOCXO単体よりも位相ノイズが悪くなります。

中略

同じOCXOを搭載したボックスとGPSDOを搭載したボックスがある場合、OCXOだけのボックスの方が確実に良い音を出すでしょう。

John S.

引用元: https://audiophilestyle.com/forums/topic/59419-master-clock-for-your-etherregen/?do=findComment&comment=1138699

まとめ

以上を要約すると

  • 10Mhzクロックには正弦波と矩形波のタイプがある。
  • 正弦波は50Ω/75Ωのインピーダンスマッチングはあまり気にしなくてよい。ノイズに対しては敏感なので適切なフィルターでノイズ量を減らすことが重要。
  • 矩形波は、インピーダンスを正しく揃えることが重要。周波数による減衰が少ない優れたケーブルを使う必要がある。また、受信側の矩形波-正弦派コンバーターが優秀である必要がある。

長くなってしまったので、実際に私が導入した10MHzクロック製品やケーブルを選んだポイントは別記事とします。

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コメント

コメント一覧 (2件)

  • オーディオのマスタークロックについて色々調べている時にここに辿り着きました。
    非常に興味深い内容で勉強になりました。

    疑問なのですが、10mhzの正弦波であれば75Ωのマスタークロックから50ΩのマスタークロックINある機材に繋いでも余り影響無いと言うでしょうか?

    さらにその際のケーブルは75Ω又は50Ωでも余り影響が無く、紹介されているノイズフィルターはどちらを選択しても余り影響が無いと言う事でしょうか?

  • コメントありがとうございます。

    この論文の主旨はそういうことです。
    正弦波であれば、インピーダンスマッチングはそれほど重要ではないということなので、ケーブルやフィルターのミスマッチは大きな問題にはならないと主張しています。

    私は機器もフィルターも、ケーブルも50Ω製品で統一しています。
    何をしても音が変わるのがオーディオなので、合わせられるのであれば、その方が間違いはないと思います。

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