過(guò)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(chē)音響市場(chǎng)。汽車(chē)中的傳統四揚聲器立體聲系統正逐漸被多聲道多揚聲器音頻系統所取代。在印度，帶雙揚聲器立體聲系統的電視機現已被帶5.1多聲道的家庭影院系統所取代。

　　當今的音頻設計挑戰在于如何模擬實(shí)際的聲音并通過(guò)各種音頻設備進(jìn)行傳送。聲音可以來(lái)自任何方向，實(shí)際上，我們的大腦能夠計算并感知聲音的來(lái)源。例如，當戰斗機從一點(diǎn)飛到另一點(diǎn)時(shí)，它所產(chǎn)生的聲音實(shí)際上來(lái)自無(wú)數個(gè)位置點(diǎn)。但是，我們不可能用無(wú)數個(gè)揚聲器來(lái)再現這種音頻體驗。

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

　　與數字音頻一同發(fā)展的還有音頻標準和協(xié)議，其目的是簡(jiǎn)化不同設備之間的音頻數據傳輸，例如，音頻播放器與揚聲器之間、DVD播放器與AVR之間，而不必將數據轉換為模擬信號。

　　本文將討論與音頻行業(yè)相關(guān)的各種標準和協(xié)議，同時(shí)也會(huì )探究不同平臺的音頻系統結構以及各種音頻算法和放大器。

　　標準和協(xié)議

　　S/PDIF標準——該標準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備之間傳輸數字音頻數據。當通過(guò)模擬鏈路將音頻從DVD播放器傳輸到音頻放大器時(shí)，會(huì )引入噪聲，該噪聲很難濾除。不過(guò)，如果用數字鏈路代替模擬鏈路來(lái)傳輸音頻數據，問(wèn)題就會(huì )迎刃而解。數據不必轉換為模擬信號就能在不同設備之間傳輸，這是S/PDIF的最大優(yōu)勢。

　　該標準描述了一種串行、單向、自備時(shí)鐘的接口，可互連那些采用線(xiàn)性PCM編碼音頻采樣的消費和專(zhuān)業(yè)應用數字音頻設備。它是一種單線(xiàn)、單信號接口，利用雙相標記編碼進(jìn)行數據傳輸，時(shí)鐘則嵌入數據中，在接收端予以恢復（見(jiàn)圖1）。此外，數據與極性無(wú)關(guān)，因此更易于處理。S/PDIF是從專(zhuān)業(yè)音頻所用的AES/EBU標準發(fā)展而來(lái)。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，硬件則涉及設備間數據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雙相標記編碼流

　　S/PDIF協(xié)議——如上文所述，它是一種單線(xiàn)串行接口，時(shí)鐘嵌入數據之中。傳輸的數據采用雙相標記編碼。時(shí)鐘和幀同步信號在接收器端與雙相解碼數據流一同恢復。數據流中的每個(gè)數據位都有一個(gè)時(shí)隙。時(shí)隙以一個(gè)躍遷開(kāi)始，并以一個(gè)躍遷結束。如果傳輸的數據位是“1”，則時(shí)隙中間還會(huì )增加一個(gè)躍遷。數據位“0”則不需要額外躍遷，躍遷之間的最短間隔稱(chēng)為單位間隔(UI)。

　　S/PDIF幀格式——首先驅動(dòng)數據的最低有效位。每個(gè)幀有兩個(gè)子幀，分別是32個(gè)時(shí)隙，共64個(gè)時(shí)隙（見(jiàn)圖2）。子幀以一個(gè)前導碼開(kāi)始，后面跟隨24位數據，最后以攜帶用戶(hù)數據和通道狀態(tài)等信息的4位結束。子幀的前4個(gè)時(shí)隙稱(chēng)為前導碼，用于指示子幀和塊的開(kāi)始。前導碼有三個(gè)，每一前導碼均包含一個(gè)或兩個(gè)持續時(shí)間為3UI的脈沖，從而打破雙相編碼規則。這意味著(zhù)，該模式不可能存在于數據流中的其他地方。每個(gè)子幀都以4位前導碼開(kāi)始。塊的開(kāi)始用前導碼“Z”和子幀通道的開(kāi)始“A”表示。前導碼“X”表示通道“A”子幀的開(kāi)始（不同于塊的開(kāi)始），前導碼“Y”表示通道“B”子幀的開(kāi)始。

圖2 S/PDIF子幀、幀和塊格式

　　I2S總線(xiàn)——在當今的音頻系統中，數字音頻數據在系統內部的各種器件之間傳輸，例如編解碼器、DSP、數字IO接口、ADC、DAC和數字濾波器之間。因此，為了增強靈活性，必須有一個(gè)標準的協(xié)議和通信結構。專(zhuān)為數字音頻而開(kāi)發(fā)的I2S總線(xiàn)規范現已被許多IC廠(chǎng)商采用，它是一種簡(jiǎn)單的三線(xiàn)同步協(xié)議，包括如下信號：串行位時(shí)鐘(SCK)、左右時(shí)鐘或字選擇(WS)以及串行數據。WS線(xiàn)表示正在進(jìn)行傳輸的聲道。當WS為邏輯高(HI)電平時(shí)，右聲道進(jìn)行傳輸；當WS為邏輯低(LO)電平時(shí)，左聲道進(jìn)行傳輸。發(fā)送器以二進(jìn)制發(fā)送數據，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。

采樣速率轉換器(SRC)——這是音頻系統的一個(gè)重要組成部分。采樣速率轉換既可以通過(guò)軟件實(shí)現，也可以通過(guò)一些處理器的片內硬件來(lái)支持（見(jiàn)圖3）。它主要用于將數據從一個(gè)采用特定采樣速率的時(shí)鐘域轉換到另一個(gè)采用相同或不同采樣速率的時(shí)鐘域。

圖3 采樣速率轉換過(guò)程的四個(gè)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(shí)鐘，以支持特定采樣速率。從采用某一采樣速率的音頻轉換為采用不同采樣速率的音頻時(shí)，即時(shí)改變主時(shí)鐘并不是一件容易的事，有時(shí)甚至不可能完成，因為需要更改電路板上的硬件。因此，采樣速率轉換一般在將數據驅動(dòng)到編解碼器之前執行。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)送音頻數據到另一端的SRC和編解碼器，然后以采樣頻率2從SRC讀取音頻數據。

　　 SRC分為兩種類(lèi)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”是指驅動(dòng)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(shí)間信號轉換為連續時(shí)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

　　大多數手持式音頻設備支持雙聲道，并能解碼MP3、Ogg、WMA媒體格式。這些設備大多依賴(lài)電池供電。還有許多手機，其中一些稱(chēng)為“音樂(lè )手機”，也屬于此類(lèi)設備。另一方面，家庭影院系統支持多揚聲器、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——有些手持式音頻系統采用ASIC，有些則采用DSP。MP3、Ogg和其他媒體文件等音頻內容通常存儲在高密度存儲設備中，如NAND閃存、安全數字(SD)卡、多媒體卡(MMC)和安全數字高容量卡(SDHC)等。

　　圖4顯示了與ASIC/DSP的主要系統接口。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。某些處理器片內支持這些標準。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(guò)軟件實(shí)現這些協(xié)議。當然，軟件實(shí)現方法會(huì )增加開(kāi)銷(xiāo)。對于運行操作系統(OS)或內核的系統，必須使這些接口和驅動(dòng)程序與OS兼容，而不應依賴(lài)中斷服務(wù)等。OS環(huán)境下可能會(huì )引起不可預測的延遲，影響接口時(shí)序規格，使得接口不可靠，有時(shí)甚至無(wú)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 手持式音頻系統框圖

　　例如，一個(gè)設計示例（見(jiàn)圖5）在處理器的外部存儲器接口上實(shí)現了SD 2.0規范。數據總線(xiàn)不僅用于數據傳輸，而且用于與SD卡交換命令和響應。在SD卡的4位模式下，數據總線(xiàn)的D0至D3信號連接到SD卡的數據線(xiàn)（DAT0至DAT3）。處理器數據總線(xiàn)的D4用于與SD卡進(jìn)行命令和響應通信。由于命令字必須通過(guò)CMD信號串行發(fā)送，因此一系列8位字形成內部存儲器中的幀，使得各個(gè)字的D4依次具有命令字的一位。這種數據重排是通過(guò)函數調用在軟件中完成。類(lèi)似地，軟件對接收的狀態(tài)信息和來(lái)往SD卡的實(shí)際數據執行數據重排。SD卡時(shí)鐘信號自ARE/（讀取選通）和AWE/（寫(xiě)入選通）信號獲得。ARE/和AWE/連接到一個(gè)具有開(kāi)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。此緩沖器的輸出執行“線(xiàn)與”處理，所產(chǎn)生的信號作為時(shí)鐘提供給SD卡。數據線(xiàn)也通過(guò)一個(gè)雙向緩沖器進(jìn)行緩沖。

　　AMS3/驅動(dòng)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備也能共享數據總線(xiàn)。D5驅動(dòng)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SD支持。

圖5  Blackfin BF-527處理器異步存儲器接口和并行外設接口上的SD設計

　　文件系統——需要實(shí)現FAT16/32來(lái)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。解碼后的音頻數據接著(zhù)被送至數模轉換器(DAC)，經(jīng)過(guò)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(guò)串行外設接口(SPI)或I2C兼容外設來(lái)完成。運行時(shí)，可以通過(guò)此控制接口改變各種DAC參數，如采樣率、增益/音量控制等。

　　處理器或FPGA從SPI引導ROM/閃存器件進(jìn)行引導加載。應用程序下載至其內部存儲器后執行。處理器利用其內部SRAM為IO數據緩沖器存儲編碼音頻幀（從存儲介質(zhì)讀�。┖徒獯a音頻數據（驅動(dòng)至DAC）。

AVR/家庭影院系統——家庭影院音樂(lè )系統通常是多聲道音頻系統（見(jiàn)圖6）。Dolby 5.1和DTS 5.1是主流多聲道音頻系統。DVD播放器通過(guò)光纖或同軸電纜S/PDIF接口發(fā)送編碼音頻數據流。系統利用S/PDIF接收器芯片解碼雙相標記編碼數據，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格式的數據流。某些處理器片內集成S/PDIF接收器，無(wú)須使用外部接收器芯片。處理器運行自動(dòng)檢測算法來(lái)確定數據流類(lèi)型，如Dolby、DTS或非編碼PCM音頻流等。

圖6 多聲道音頻系統框圖

　　此算法在后臺持續運行。自動(dòng)檢測流程基于IEC61937非線(xiàn)性PCM編碼比特流國際標準。調用主算法，并將主音頻解碼器算法所需的各種參數正確傳遞給函數。解碼后的音頻數據被復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據以I2S格式驅動(dòng)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(lèi)：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(lèi)：A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)和C類(lèi)。放大器的類(lèi)別基本上由晶體管放大器的工作點(diǎn)或靜態(tài)點(diǎn)決定。此點(diǎn)位于共發(fā)射極配置中晶體管輸出特性的直流負載線(xiàn)上。靜態(tài)點(diǎn)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(lèi)放大器的靜態(tài)點(diǎn)幾乎位于負載線(xiàn)有效區間的中點(diǎn)，對于任何給定的輸入信號變化，晶體管總是在有效區間工作，忠實(shí)放大輸入信號，而不會(huì )引起任何中斷或失真。此類(lèi)放大器用于小信號放大，然后該信號即可驅動(dòng)功率放大器。由于晶體管始終導通，因此會(huì )消耗大量功率，功率效率較低。這使得A類(lèi)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(shí)間，為此需要降低直流負載線(xiàn)上的靜態(tài)點(diǎn)，使它偏向截止區間。這樣就得到其他類(lèi)型的放大器，如B類(lèi)、AB類(lèi)和C類(lèi)。采用推挽配置的B類(lèi)放大器是首選功率放大器。它以推挽方式使用兩個(gè)晶體管，各晶體管導通 180°。

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

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

圖7 模擬域中的D類(lèi)放大器系統框圖

　　為了解調PWM并重建原始模擬波形，需要使用由LC（電感+電容）構成的高質(zhì)量低通濾波器。由于大多數音頻系統使用DSP，因此D類(lèi)放大器對音頻系統設計很有利。音頻信號可以由DSP本身調制為PWM，然后直接饋送至D類(lèi)放大器的輸入端，而無(wú)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(guò)消除編解碼器/DAC來(lái)降低系統成本。對于D類(lèi)放大器設計而言，低通重建濾波器是確保良好THD指標的最重要因素。

　　結語(yǔ)

　　音頻系統設計近年來(lái)發(fā)展迅猛，特別是在家庭娛樂(lè )和汽車(chē)音響領(lǐng)域。各種標準、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實(shí)。音頻系統設計人員仍在攻克各種難題，例如，保持高功率效率、實(shí)現更低的THD和再現高質(zhì)量聲音等。