音頻系統(tǒng)標準和協(xié)議探討
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利用多聲道、多揚聲器系統(tǒng)和先進的音頻算法，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)壓縮技術來編碼并減少所要存儲的數(shù)據(jù)。這些技術還能用來保持聲音質(zhì)量。
與數(shù)字音頻一同發(fā)展的還有音頻標準和協(xié)議，其目的是簡化不同設備之間的音頻數(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)相關的各種標準和協(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(shù)字音頻數(shù)據(jù)。當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)應用數(shù)字音頻設備。它是一種單線、單信號接口，利用雙相標記編碼進行數(shù)據(jù)傳輸，時鐘則嵌入數(shù)據(jù)中，在接收端予以恢復(見圖1)。此外，數(shù)據(jù)與極性無關，因此更易于處理。S/PDIF是從專業(yè)音頻所用的AES/EBU標準發(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。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個時隙稱為前導碼，用于指示子幀和塊的開始。前導碼有三個，每一前導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位前導碼開始。塊的開始用前導碼“Z”和子幀通道的開始“A”表示。前導碼“X”表示通道“A”子幀的開始(不同于塊的開始)，前導碼“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，必須有一個標準的協(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線表示正在進行傳輸?shù)穆暤?。當WS為邏輯高(HI)電平時，右聲道進行傳輸;當WS為邏輯低(LO)電平時，左聲道進行傳輸。發(fā)送器以二進制發(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。
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行編碼，其他任務由編解碼器完成。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”?！爸鳈C”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的輸出采樣頻率進行異步采樣。
音頻系統(tǒng)
大多數(shù)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，也可以通過軟件實現(xiàn)這些協(xié)議。當然，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，而不應依賴中斷服務等。OS環(huán)境下可能會引起不可預測的延遲，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。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卡進行命令和響應通信。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行緩沖。
AMS3/驅(qū)動緩沖器的輸出使能引腳。要求對緩沖器進行隔離，以便其他異步存儲設備也能共享數(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
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