掌握音頻協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)

過去幾年里，音頻技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，特別是在家庭影院和汽車音響市場。汽車中的傳統(tǒng)四揚聲器立體聲系統(tǒng)正逐漸被多聲道多揚聲器音頻系統(tǒng)所取代。在印度，帶雙揚聲器立體聲系統(tǒng)的電視機現(xiàn)已被帶5.1多聲道的家庭影院系統(tǒng)所取代。

當(dāng)今的音頻設(shè)計挑戰(zhàn)在于如何模擬實際的聲音并通過各種音頻設(shè)備進(jìn)行傳送。聲音可以來自任何方向，實際上，我們的大腦能夠計算并感知聲音的來源。例如，當(dāng)戰(zhàn)斗機從一點飛到另一點時，它所產(chǎn)生的聲音實際上來自無數(shù)個位置點。但是，我們不可能用無數(shù)個揚聲器來再現(xiàn)這種音頻體驗。

利用多聲道、多揚聲器系統(tǒng)和先進(jìn)的音頻算法，音頻系統(tǒng)能夠惟妙惟肖地模擬真實聲音。這些復(fù)雜的音頻系統(tǒng)使用ASIC或DSP來解碼多聲道編碼音頻，并且運行各種后處理算法。聲道數(shù)量越多，意味著存儲器和帶寬要求越高，這就需要使用音頻數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來編碼并減少所要存儲的數(shù)據(jù)。這些技術(shù)還能用來保持聲音質(zhì)量。

與數(shù)字音頻一同發(fā)展的還有音頻標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，其目的是簡化不同設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸，例如，音頻播放器與揚聲器之間、DVD播放器與AVR之間，而不必將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號。

本文將討論與音頻行業(yè)相關(guān)的各種標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，同時也會探究不同平臺的音頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及各種音頻算法和放大器。

標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議
S/PDIF標(biāo)準(zhǔn)——該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種串行接口，用于在DVD/HD-DVD播放器、AVR和功率放大器等各種音頻設(shè)備之間傳輸數(shù)字音頻數(shù)據(jù)。當(dāng)通過模擬鏈路將音頻從DVD播放器傳輸?shù)揭纛l放大器時，會引入噪聲，該噪聲很難濾除。不過，如果用數(shù)字鏈路代替模擬鏈路來傳輸音頻數(shù)據(jù)，問題就會迎刃而解。數(shù)據(jù)不必轉(zhuǎn)換為模擬信號就能在不同設(shè)備之間傳輸，這是S/PDIF的最大優(yōu)勢。

該標(biāo)準(zhǔn)描述了一種串行、單向、自備時鐘的接口，可互連那些采用線性PCM編碼音頻采樣的消費和專業(yè)應(yīng)用數(shù)字音頻設(shè)備。它是一種單線、單信號接口，利用雙相標(biāo)記編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，時鐘則嵌入數(shù)據(jù)中，在接收端予以恢復(fù)（見圖1）。此外，數(shù)據(jù)與極性無關(guān)，因此更易于處理。S/PDIF是從專業(yè)音頻所用的AES/EBU標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來。二者在協(xié)議層上一致，但從XLR到電氣RCA插孔或光學(xué)TOSLINK的物理連接器發(fā)生了改變。本質(zhì)上，S/PDIF是AES/EBU格式的消費型版本。S/PDIF接口規(guī)范主要由硬件和軟件組成。軟件通常涉及S/PDIF幀格式，硬件則涉及設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸所使用的物理連接媒介。用于物理媒介的各種接口包括：晶體管與晶體管邏輯、同軸電纜（以RCA插頭連接的75Ω電纜）和TOSLINK（一種光纖連接）。

圖1  S/PDIF雙相標(biāo)記編碼流

S/PDIF協(xié)議——如上文所述，它是一種單線串行接口，時鐘嵌入數(shù)據(jù)之中。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用雙相標(biāo)記編碼。時鐘和幀同步信號在接收器端與雙相解碼數(shù)據(jù)流一同恢復(fù)。數(shù)據(jù)流中的每個數(shù)據(jù)位都有一個時隙。時隙以一個躍遷開始，并以一個躍遷結(jié)束。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位是“1”，則時隙中間還會增加一個躍遷。數(shù)據(jù)位“0”則不需要額外躍遷，躍遷之間的最短間隔稱為單位間隔(UI)。

S/PDIF幀格式——首先驅(qū)動數(shù)據(jù)的最低有效位。每個幀有兩個子幀，分別是32個時隙，共64個時隙（見圖2）。子幀以一個前導(dǎo)碼開始，后面跟隨24位數(shù)據(jù)，最后以攜帶用戶數(shù)據(jù)和通道狀態(tài)等信息的4位結(jié)束。子幀的前4個時隙稱為前導(dǎo)碼，用于指示子幀和塊的開始。前導(dǎo)碼有三個，每一前導(dǎo)碼均包含一個或兩個持續(xù)時間為3UI的脈沖，從而打破雙相編碼規(guī)則。這意味著，該模式不可能存在于數(shù)據(jù)流中的其他地方。每個子幀都以4位前導(dǎo)碼開始。塊的開始用前導(dǎo)碼“Z”和子幀通道的開始“A”表示。前導(dǎo)碼“X”表示通道“A”子幀的開始（不同于塊的開始），前導(dǎo)碼“Y”表示通道“B”子幀的開始。

圖2 S/PDIF子幀、幀和塊格式

I2S總線——在當(dāng)今的音頻系統(tǒng)中，數(shù)字音頻數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部的各種器件之間傳輸，例如編解碼器、DSP、數(shù)字IO接口、ADC、DAC和數(shù)字濾波器之間。因此，為了增強靈活性，必須有一個標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和通信結(jié)構(gòu)。專為數(shù)字音頻而開發(fā)的I2S總線規(guī)范現(xiàn)已被許多IC廠商采用，它是一種簡單的三線同步協(xié)議，包括如下信號：串行位時鐘(SCK)、左右時鐘或字選擇(WS)以及串行數(shù)據(jù)。WS線表示正在進(jìn)行傳輸?shù)穆暤?。?dāng)WS為邏輯高(HI)電平時，右聲道進(jìn)行傳輸；當(dāng)WS為邏輯低(LO)電平時，左聲道進(jìn)行傳輸。發(fā)送器以二進(jìn)制發(fā)送數(shù)據(jù)，首先補足MSB。幾乎所有DSP的串行端口都將I2S作為串行端口模式之一。音頻編解碼器也支持這種模式。

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采樣速率轉(zhuǎn)換器(SRC)——這是音頻系統(tǒng)的一個重要組成部分。采樣速率轉(zhuǎn)換既可以通過軟件實現(xiàn)，也可以通過一些處理器的片內(nèi)硬件來支持（見圖3）。它主要用于將數(shù)據(jù)從一個采用特定采樣速率的時鐘域轉(zhuǎn)換到另一個采用相同或不同采樣速率的時鐘域。

圖3 采樣速率轉(zhuǎn)換過程的四個不同階段

音頻可以采用不同采樣速率進(jìn)行編碼，其他任務(wù)由編解碼器完成。某些情況下需要改變編解碼器的主時鐘，以支持特定采樣速率。從采用某一采樣速率的音頻轉(zhuǎn)換為采用不同采樣速率的音頻時，即時改變主時鐘并不是一件容易的事，有時甚至不可能完成，因為需要更改電路板上的硬件。因此，采樣速率轉(zhuǎn)換一般在將數(shù)據(jù)驅(qū)動到編解碼器之前執(zhí)行。這樣，編解碼器的采樣速率不需要改變，可以保持恒定。串行端口以采樣頻率1發(fā)送音頻數(shù)據(jù)到另一端的SRC和編解碼器，然后以采樣頻率2從SRC讀取音頻數(shù)據(jù)。

 
SRC分為兩種類型：同步SRC和異步SRC。與同步SRC連接的輸出器件為“從機”，與異步SRC連接的器件為“主機”。“主機”是指驅(qū)動SCK和幀同步信號的器件。

SRC利用輸出采樣速率極高的插值濾波器和零階保持器(ZOH)將離散時間信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)時間信號。插值值被饋送至ZOH，并以Fs out的輸出采樣頻率進(jìn)行異步采樣。

音頻系統(tǒng)
大多數(shù)手持式音頻設(shè)備支持雙聲道，并能解碼MP3、Ogg、WMA媒體格式。這些設(shè)備大多依賴電池供電。還有許多手機，其中一些稱為“音樂手機”，也屬于此類設(shè)備。另一方面，家庭影院系統(tǒng)支持多揚聲器、多聲道音頻，例如，Dolby、DTS和各種其他音頻后處理算法（THX、ART、Neo6等）。

便攜式音頻系統(tǒng)——有些手持式音頻系統(tǒng)采用ASIC，有些則采用DSP。MP3、Ogg和其他媒體文件等音頻內(nèi)容通常存儲在高密度存儲設(shè)備中，如NAND閃存、安全數(shù)字(SD)卡、多媒體卡(MMC)和安全數(shù)字高容量卡(SDHC)等。

圖4顯示了與ASIC/DSP的主要系統(tǒng)接口。SD和MMC還支持串行SPI模式，DSP和各種微控制器/微處理器通常提供此種模式。某些處理器片內(nèi)支持這些標(biāo)準(zhǔn)。利用處理器的其他資源/接口，如并行端口或異步存儲器接口等，也可以通過軟件實現(xiàn)這些協(xié)議。當(dāng)然，軟件實現(xiàn)方法會增加開銷。對于運行操作系統(tǒng)(OS)或內(nèi)核的系統(tǒng)，必須使這些接口和驅(qū)動程序與OS兼容，而不應(yīng)依賴中斷服務(wù)等。OS環(huán)境下可能會引起不可預(yù)測的延遲，影響接口時序規(guī)格，使得接口不可靠，有時甚至無法工作。為了確保OS兼容，可能需要使用額外的硬件膠合邏輯。

圖4 手持式音頻系統(tǒng)框圖

例如，一個設(shè)計示例（見圖5）在處理器的外部存儲器接口上實現(xiàn)了SD 2.0規(guī)范。數(shù)據(jù)總線不僅用于數(shù)據(jù)傳輸，而且用于與SD卡交換命令和響應(yīng)。在SD卡的4位模式下，數(shù)據(jù)總線的D0至D3信號連接到SD卡的數(shù)據(jù)線（DAT0至DAT3）。處理器數(shù)據(jù)總線的D4用于與SD卡進(jìn)行命令和響應(yīng)通信。由于命令字必須通過CMD信號串行發(fā)送，因此一系列8位字形成內(nèi)部存儲器中的幀，使得各個字的D4依次具有命令字的一位。這種數(shù)據(jù)重排是通過函數(shù)調(diào)用在軟件中完成。類似地，軟件對接收的狀態(tài)信息和來往SD卡的實際數(shù)據(jù)執(zhí)行數(shù)據(jù)重排。SD卡時鐘信號自ARE/（讀取選通）和AWE/（寫入選通）信號獲得。ARE/和AWE/連接到一個具有開集輸出的緩沖器的輸入端。AMS3/（異步存儲器片選選通）連接到此緩沖器的輸出使能引腳。此緩沖器的輸出執(zhí)行“線與”處理，所產(chǎn)生的信號作為時鐘提供給SD卡。數(shù)據(jù)線也通過一個雙向緩沖器進(jìn)行緩沖。

AMS3/驅(qū)動緩沖器的輸出使能引腳。要求對緩沖器進(jìn)行隔離，以便其他異步存儲設(shè)備也能共享數(shù)據(jù)總線。D5驅(qū)動雙向緩沖器的DIR（方向控制）引腳。緩沖器兩端均需要上拉電阻。BF-54x等其他一些Blackfin產(chǎn)品提供片內(nèi)SD支持。

圖5  Blackfin BF-527處理器異步存儲器接口和并行外設(shè)接口上的SD設(shè)計

文件系統(tǒng)——需要實現(xiàn)FAT16/32來管理存儲卡上的音頻文件和文件夾。這些代碼與音頻解碼器代碼集成。解碼后的音頻數(shù)據(jù)接著被送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，經(jīng)過放大后再被送至音頻立體聲連接器。與DAC相連的接口通常是串行I2S接口。DAC配置通過串行外設(shè)接口(SPI)或I2C兼容外設(shè)來完成。運行時，可以通過此控制接口改變各種DAC參數(shù)，如采樣率、增益/音量控制等。

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處理器或FPGA從SPI引導(dǎo)ROM/閃存器件進(jìn)行引導(dǎo)加載。應(yīng)用程序下載至其內(nèi)部存儲器后執(zhí)行。處理器利用其內(nèi)部SRAM為IO數(shù)據(jù)緩沖器存儲編碼音頻幀（從存儲介質(zhì)讀?。┖徒獯a音頻數(shù)據(jù)（驅(qū)動至DAC）。

AVR/家庭影院系統(tǒng)——家庭影院音樂系統(tǒng)通常是多聲道音頻系統(tǒng)（見圖6）。Dolby 5.1和DTS 5.1是主流多聲道音頻系統(tǒng)。DVD播放器通過光纖或同軸電纜S/PDIF接口發(fā)送編碼音頻數(shù)據(jù)流。系統(tǒng)利用S/PDIF接收器芯片解碼雙相標(biāo)記編碼數(shù)據(jù)，并提供與處理器相連的串行幀接口。S/PDIF接收芯片通常向處理器提供I2S格式的數(shù)據(jù)流。某些處理器片內(nèi)集成S/PDIF接收器，無須使用外部接收器芯片。處理器運行自動檢測算法來確定數(shù)據(jù)流類型，如Dolby、DTS或非編碼PCM音頻流等。

圖6 多聲道音頻系統(tǒng)框圖

此算法在后臺持續(xù)運行。自動檢測流程基于IEC61937非線性PCM編碼比特流國際標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)用主算法，并將主音頻解碼器算法所需的各種參數(shù)正確傳遞給函數(shù)。解碼后的音頻數(shù)據(jù)被復(fù)制到已分配的輸出緩沖器中。串行端口用于將此解碼音頻數(shù)據(jù)以I2S格式驅(qū)動至DAC，然后將模擬信號饋送至功率放大器，最后再饋送至揚聲器。

音頻算法
音頻算法可以分為兩類：主解碼器算法和后處理算法。主解碼器算法包括Dolby、DTS 5.1、DTS 6.1、DTS96/24、AAC等。后解碼或后處理算法包括Dolby ProLogic、Dolby ProLogic II、DTS Neo6、Surround EX、Dolby耳機、Dolby虛擬揚聲器、THX、原始環(huán)繞聲、Dynamic EQ、Delay等。必須使用高性能信號處理器，而且能執(zhí)行房間均衡等額外功能。

音頻放大器
放大器可以分為如下幾類：A類、B類、AB類和C類。放大器的類別基本上由晶體管放大器的工作點或靜態(tài)點決定。此點位于共發(fā)射極配置中晶體管輸出特性的直流負(fù)載線上。靜態(tài)點表示相對于特定基極電流“IB”的特定集電極電流“IC”?；鶚O電流“IB”取決于晶體管的偏置，集電極電流“IC”是直流電流增益“hfe”與基極電流“IB”的乘積。A類放大器的靜態(tài)點幾乎位于負(fù)載線有效區(qū)間的中點，對于任何給定的輸入信號變化，晶體管總是在有效區(qū)間工作，忠實放大輸入信號，而不會引起任何中斷或失真。此類放大器用于小信號放大，然后該信號即可驅(qū)動功率放大器。由于晶體管始終導(dǎo)通，因此會消耗大量功率，功率效率較低。這使得A類放大器不適合用作功率放大器。為了提高效率，晶體管必須關(guān)閉一定的時間，為此需要降低直流負(fù)載線上的靜態(tài)點，使它偏向截止區(qū)間。這樣就得到其他類型的放大器，如B類、AB類和C類。采用推挽配置的B類放大器是首選功率放大器。它以推挽方式使用兩個晶體管，各晶體管導(dǎo)通180°。

但在交越時，存在一個二者均不導(dǎo)通的區(qū)間，這會導(dǎo)致交越失真。C類放大器的功率效率可以達(dá)到80%，但由于晶體管的導(dǎo)通比例不足輸入信號的50%，因此輸出失真較高。在有效區(qū)間使用晶體管還要求利用散熱器來保護(hù)晶體管，而這正是D類放大器技術(shù)優(yōu)于其他類型的地方。

圖7為一個D類放大器系統(tǒng)。有時將這種放大器稱為數(shù)字放大器，但事實并非如此。其工作原理仍然與其他類型放大器相同，但D類放大器的輸入信號為PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號。由于數(shù)字輸入在邏輯高電平和邏輯低電平之間來回切換，因此晶體管工作在飽和區(qū)間或截止區(qū)間，但決不會工作在有效區(qū)間，因此功耗始終最低。這使得功率效率大幅提高，但同時也會引起較高的總諧波失真(THD)。

圖7 模擬域中的D類放大器系統(tǒng)框圖

為了解調(diào)PWM并重建原始模擬波形，需要使用由LC（電感+電容）構(gòu)成的高質(zhì)量低通濾波器。由于大多數(shù)音頻系統(tǒng)使用DSP，因此D類放大器對音頻系統(tǒng)設(shè)計很有利。音頻信號可以由DSP本身調(diào)制為PWM，然后直接饋送至D類放大器的輸入端，而無須使用音頻DAC或編解碼器。因此，除了提高放大器功率效率以外，它還能通過消除編解碼器/DAC來降低系統(tǒng)成本。對于D類放大器設(shè)計而言，低通重建濾波器是確保良好THD指標(biāo)的最重要因素。

結(jié)語
音頻系統(tǒng)設(shè)計近年來發(fā)展迅猛，特別是在家庭娛樂和汽車音響領(lǐng)域。各種標(biāo)準(zhǔn)、編碼技術(shù)和強大的處理器已使得多聲道高清音頻成為現(xiàn)實。音頻系統(tǒng)設(shè)計人員仍在攻克各種難題，例如，保持高功率效率、實現(xiàn)更低的THD和再現(xiàn)高質(zhì)量聲音等。