便攜式應(yīng)用中的音頻接口

針對(duì)不同的數(shù)字音頻子系統(tǒng)，催生出幾種微處理器或DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)與音頻器件間用于數(shù)字轉(zhuǎn)換的接口。本文將介紹目前市場(chǎng)中存在的幾種音頻接口規(guī)格。

　　PCM規(guī)格

　　最簡(jiǎn)單的音頻接口之一是所謂的PCM(脈沖編碼調(diào)制)接口。嚴(yán)格地說(shuō)，所有數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸都要經(jīng)過(guò)PCM，并且需要仔細(xì)參照用于數(shù)字電話的單聲道機(jī)制。PCM接口由時(shí)鐘脈沖(BCLK)、幀同步信號(hào)(FS)及數(shù)據(jù)隊(duì)列組成，每個(gè)PCM對(duì)應(yīng)一個(gè)將要接收或?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　在FS信號(hào)的上升沿，數(shù)據(jù)傳輸從MSB(Most SignificantBit)字開(kāi)始，F(xiàn)S頻率等于采樣率。FS信號(hào)之后開(kāi)始數(shù)據(jù)字的傳輸，單個(gè)的數(shù)據(jù)位按順序進(jìn)行傳輸，1個(gè)時(shí)鐘周期傳輸1個(gè)數(shù)據(jù)字。發(fā)送MSB時(shí)，信號(hào)的等級(jí)首先降到最低，以避免在不同終端的接口使用不同的數(shù)據(jù)方案時(shí)造成MSB的丟失。除了在應(yīng)用中正在衰落的RJ(Right- justified)格式外，目前這種方法已經(jīng)用于大部分音頻接口中。

　　PCM接口很容易實(shí)現(xiàn)，原則上能夠支持任何數(shù)據(jù)方案和任何采樣率，但需要每個(gè)音頻通道獲得一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)隊(duì)列，這種屬性會(huì)使PCM在數(shù)字電話等初級(jí)目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)中成為極受歡迎的選擇。

　　I2S規(guī)格

　　I2S接口(Inter-IC Sound)在20世紀(jì)80年代首先被飛利浦用于消費(fèi)音頻，并在一個(gè)稱為L(zhǎng)RCLK(Left/RightCLOCK)的信號(hào)機(jī)制中經(jīng)過(guò)多路轉(zhuǎn)換，將兩路音頻信號(hào)成單一的數(shù)據(jù)隊(duì)列。當(dāng)LRCLK為高時(shí)，左聲道數(shù)據(jù)被傳輸;LRCLK為低時(shí)，右聲道數(shù)據(jù)被傳輸。與PCM相比，I2S更適合于立體聲系統(tǒng)。對(duì)于多通道系統(tǒng)，在同樣的BCLK和LRCLK條件下，并行執(zhí)行幾個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列也是可能的。

　　然而，便攜式系統(tǒng)中的Hi-Fi音頻要求高于立體聲。首先，更復(fù)雜的音頻IC通常通過(guò)寫(xiě)入內(nèi)部寄存器而得到控制。由于I2S、PCM和類似的音頻接口不能提供寄存器入口，因此需要獨(dú)立的控制接口，如在控制器上增加音頻IC的管腳數(shù)目。第二，在不同采樣率下執(zhí)行音頻的能力很關(guān)鍵，44.1kHz(音頻CD 的標(biāo)準(zhǔn)頻率)和48kHz(計(jì)算機(jī)音頻標(biāo)準(zhǔn)頻率)都是應(yīng)用非常廣泛的頻率。

　　對(duì)I2S和它的衍生系列而言，系統(tǒng)要么在不同的頻率下產(chǎn)生Low-jitterBCLK和LRCLK(在PCM情況下也可以是FS)，要么在軟件環(huán)境中將所有的音頻流轉(zhuǎn)換成單一的采樣率。第一種情況要求至少有一個(gè)模擬鎖相環(huán)(PLL)和兩個(gè)同步反饋，并在不同頻率上進(jìn)行記錄。而且在評(píng)估接口的功效時(shí)，必須將增加的功耗計(jì)算在內(nèi)。第二種情況雖然加強(qiáng)了計(jì)算能力，但也使處理器的功耗顯著增加。而且當(dāng)這個(gè)處理器同時(shí)執(zhí)行用戶應(yīng)用程序時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行速度會(huì)變慢，在音頻打開(kāi)時(shí)甚至停止運(yùn)行。

　　現(xiàn)在越來(lái)越多的消費(fèi)者希望從數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、MP3播放器、手提DVD機(jī)、便攜式多媒體播放器及多媒體處理器中獲取更好的聽(tīng)覺(jué)效果和更多的功能。歐勝公司為此擴(kuò)大了解碼器的工作范圍，近期推出的WM897x系統(tǒng)I2S音頻協(xié)議不但提高了系統(tǒng)的集成度，也提高了系統(tǒng)的音頻質(zhì)量。

　　以立體聲WM8980及單聲道WM8982為例，可以通過(guò)屏幕顯示直接與電視機(jī)相連。在便攜式系統(tǒng)中，與高質(zhì)量的音頻功能相同的視頻功能需要額外的視頻功放來(lái)實(shí)現(xiàn)，WM8978系統(tǒng)就是對(duì)2004年10月推出的WM8974系統(tǒng)的全面立體聲功能的升級(jí)。

　　三款產(chǎn)品以DSP微處理器為內(nèi)核，可將風(fēng)聲等過(guò)濾，來(lái)提高音頻系統(tǒng)的錄音功能，特別是在可視化系統(tǒng)中的作用更明顯。另外，新產(chǎn)品還采用了5波段與3D音頻系統(tǒng)的均衡來(lái)提高音頻輸出以及可編程阻態(tài)濾波器消除噪聲。這些系統(tǒng)通常也支持時(shí)鐘頻率在12MHz～19MHz的麥克風(fēng)及手機(jī)喇叭的驅(qū)動(dòng)部分，可進(jìn)一步減少產(chǎn)品中元器件的數(shù)量。為滿足高質(zhì)量音頻喇叭以及壓電型喇叭的功耗可以達(dá)到900mW，數(shù)字式錄音回放限制器防止喇叭的過(guò)量輸出，三款解碼器產(chǎn)品的模擬部分需要的供電電壓低達(dá)2.5V，數(shù)字部分的供電電壓低達(dá)1.6V。

　　隨著移動(dòng)產(chǎn)品需求的急劇增加，通過(guò)把兩種接口技術(shù)應(yīng)用于一體，可以將簡(jiǎn)單的傳輸單聲道音頻的形式與諸如Hi-Fi功能的可拓展標(biāo)準(zhǔn)相融合，這種結(jié)合方式大大提高了電池的使用壽命，并可以整合資源，比如在MP3回放時(shí)可以輕松地處理來(lái)電。

　　WM8753L將IIS協(xié)議中的立體聲Hi-Fi模數(shù)轉(zhuǎn)換器與獨(dú)立的單聲道PCM數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)集成在一個(gè)芯片中，并且具有IIS協(xié)議及PCM接口都具備的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，這就使得MP3、對(duì)話及其他音頻功能可以共同工作。

　　MAX8753L是少數(shù)融合了PCM/Hi-Fi功能的模擬部分工作電壓低于1.8V、數(shù)字部分工作電壓低于1.42V的解碼器。在1.8V的工作電壓下，解碼器在進(jìn)行立體聲回放時(shí)最低功耗是7mW，在PCM工作狀態(tài)的最低功耗小于6mW。該系統(tǒng)集成了為連接不同擴(kuò)音器的雙接口技術(shù)，其中包括喇叭、耳機(jī)以及聽(tīng)筒的驅(qū)動(dòng)部分。外部器件已經(jīng)不再需要分離的耳機(jī)或者耳機(jī)放大器部分，cap-less接口方式可以連接所有負(fù)載。嵌入式數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)可以對(duì)音調(diào)、低音強(qiáng)化、自動(dòng)調(diào)整耳機(jī)音量或模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制。這兩種模數(shù)轉(zhuǎn)換方式能夠?qū)﹄pDSP系統(tǒng)進(jìn)行噪音消除或進(jìn)行立體聲的存儲(chǔ)。

　　在主時(shí)鐘頻率為12MHz～24MHz的具有USB接口的系統(tǒng)、19.2MHz的移動(dòng)系統(tǒng)以及標(biāo)準(zhǔn)的256fs比率12.288MHz及 24.576MHz的系統(tǒng)中，WM8753LHi-Fi模數(shù)轉(zhuǎn)換器既可以作為控制部分，也可以作為被控部分。其內(nèi)部的縮相環(huán)系統(tǒng)可以產(chǎn)生滿足PCM及Hi -Fi轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)鐘頻率。如果音頻系統(tǒng)中需要的時(shí)鐘頻率已經(jīng)存在，鎖相環(huán)可以用作其他的用途。AC'97/AC-Link規(guī)格

　　AC'97(音頻編碼1997)標(biāo)準(zhǔn)是Intel公司為計(jì)算機(jī)音頻而指定的。與PCM和I2S不同，AC'97不只是一種數(shù)據(jù)格式，用于音頻編碼的內(nèi)部架構(gòu)規(guī)格，它還具有控制功能。眾所周知的AC-Link接口包括位時(shí)鐘(BITCLK)、同步信號(hào)校正(SYNC)和從編碼到處理器及從處理器中解碼(SDATDIN與SDATAOUT)的數(shù)據(jù)隊(duì)列。AC'97數(shù)據(jù)幀以SYNC脈沖開(kāi)始，包括12個(gè)20位時(shí)間段(時(shí)間段為標(biāo)準(zhǔn)中定義的不同的目的服務(wù))及16位“tag”段，共計(jì)256個(gè)數(shù)據(jù)序列。例如，時(shí)間段“1”和“2”用于訪問(wèn)編碼的控制寄存器，而時(shí)間段“3”和“4”分別負(fù)載左、右兩個(gè)音頻通道。“tag”段表示其他段中哪一個(gè)包含有效數(shù)據(jù)。把幀分成時(shí)間段使傳輸控制信號(hào)和僅通過(guò)4根線到達(dá)9個(gè)音頻通道或轉(zhuǎn)換成其他數(shù)據(jù)流成為可能。與具有分離控制接口的I2S方案相比，AC'97明顯減少了整體管腳數(shù)。

　　例如在44.1kHz頻段上播放音頻，在超過(guò)12幀的一幀處各個(gè)時(shí)間段被標(biāo)記為無(wú)效，有效數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)編碼器中的D/A轉(zhuǎn)換器被均勻地分布到每個(gè)時(shí)間段形成低失真模擬信號(hào)，這種方法與PLL或有采樣率轉(zhuǎn)換的情況相比具有相當(dāng)少的功耗。

　　AC'97的復(fù)雜度在于更高的門(mén)數(shù)和接口本身的功耗，通過(guò)系統(tǒng)級(jí)措施，如內(nèi)置多速率電源，AC'97的功耗仍比較大，因此AC'97適合于使用不止一個(gè)采樣率的復(fù)雜系統(tǒng)，如電話機(jī)和多媒體PDA。其固有的20位數(shù)據(jù)解決方案和最高48kHz的采樣率在便攜式應(yīng)用中是非常難得的，這些應(yīng)用中電池的壽命和小尺寸與音頻質(zhì)量同樣重要。

　　與I2S不同的是，AC'97在傳輸無(wú)音頻附加數(shù)據(jù)碼時(shí)具有特有的帶寬及傳輸協(xié)議。因此，當(dāng)AC'97系統(tǒng)使用時(shí)就不需要再增加額外的數(shù)字式觸摸屏。歐勝公司已經(jīng)利用這特點(diǎn)為諸如WM9712的系統(tǒng)提供了集成的觸摸屏接口技術(shù)、片內(nèi)顯示驅(qū)動(dòng)技術(shù)、高保真立體聲技術(shù)、聲音及鈴音管理技術(shù)。筆寫(xiě)檢測(cè)以及壓力檢測(cè)能力可以利用一個(gè)4管腳AC-link總線及數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)音頻系統(tǒng)與PDA便攜式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

　　從盡可能增加電池的使用壽命方面考慮，這種將AC'97及PCM系統(tǒng)集成在微型PC機(jī)、掌上電腦及智能手機(jī)中的情況類似于I2S/PCS系統(tǒng)。歐勝公司的WM9713產(chǎn)品在WM9712基礎(chǔ)上增加了一個(gè)音頻解碼器用來(lái)進(jìn)行手機(jī)對(duì)話管理，以盡可能地延長(zhǎng)電池的使用壽命。

　　Azalia規(guī)格進(jìn)入計(jì)算機(jī)和消費(fèi)者音頻中

　　在計(jì)算機(jī)和消費(fèi)音頻中，AC'97規(guī)格正被近來(lái)由Intel發(fā)展起來(lái)的Azalia規(guī)格所代替。這種新的標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)AC'97規(guī)格的加強(qiáng)，它包括32位解決方案、高達(dá)192kHz的采樣率，能夠靈活地配置輸入/輸出管腳和接到插座傳感器上的耳機(jī)、激活插入單個(gè)插座中的揚(yáng)聲器。另外，使用27.576kHz (是AC'97的兩倍)的位時(shí)鐘引起的額外功耗是延長(zhǎng)電池壽命的一大障礙。因此，如果不考慮在其他市場(chǎng)進(jìn)行發(fā)展，Azalia在便攜應(yīng)用中成為主流的機(jī)會(huì)很小。