基于微控制器的嵌入式音頻編解碼器設(shè)計(jì)

　　許多設(shè)計(jì)人員在其基于微控制器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入了，以提供高保真音頻。但在這樣做之前，他們必須弄清楚如何對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行音頻編解碼器調(diào)校。如果不進(jìn)行調(diào)校，即使有好的編解碼器和揚(yáng)聲器，也可能會(huì)讓應(yīng)用聽起來很平淡或音質(zhì)很差。問題是每個(gè)揚(yáng)聲器都有自己的頻率響應(yīng)，因此編解碼器應(yīng)該根據(jù)揚(yáng)聲器的特性進(jìn)行調(diào)校，同時(shí)要考慮到將要播放的音頻種類和所需的響應(yīng)。

　　調(diào)校音頻播放系統(tǒng)的解決方案不是使用硬件濾波，而是利用音頻編解碼器自身的數(shù)字濾波器塊。每個(gè)編解碼器都有這個(gè)塊，允許開發(fā)人員使用高通、低通和帶通濾波器進(jìn)行輸出濾波。這樣就可以根據(jù)需要仔細(xì)調(diào)校揚(yáng)聲器的響應(yīng)。

　　本文將以 AKM Semiconductor 的編解碼器為例，討論編解碼器中包含的內(nèi)部數(shù)字音頻塊。同時(shí)還將討論幾個(gè)調(diào)校編解碼器的小技巧，以幫助開發(fā)人員加速他們的音頻播放開發(fā)，同時(shí)提高系統(tǒng)的音質(zhì)。

　　了解揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)特性

　　在《如何選擇和使用嵌入式音頻反饋文件的音頻編解碼器和微控制器》一文中我們討論了選擇編解碼器并將其添加到系統(tǒng)中的基本原理。下一步就是使用該編解碼器來獲得最佳的音頻輸出。

　　有幾個(gè)不同的因素會(huì)影響到系統(tǒng)所發(fā)出音頻的聲音。這些因素包括：

• 　　揚(yáng)聲器的外殼
• 　　揚(yáng)聲器的安裝方式
• 　　所播放音頻的頻率
• 　　揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)

　　在仔細(xì)考慮了這些因素之后，開發(fā)人員很快就會(huì)意識(shí)到，只有在音頻系統(tǒng)處于最終生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行調(diào)校才是有用的。當(dāng)然，系統(tǒng)可以用印刷電路板和揚(yáng)聲器在外殼外進(jìn)行調(diào)校，但不應(yīng)該期望這些相同的調(diào)校參數(shù)在揚(yáng)聲器安裝并固定到其外殼中后還適用。

　　如果機(jī)械設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)妥善設(shè)計(jì)了系統(tǒng)外殼和支架，那么開發(fā)商需要密切關(guān)注的主要特征就是揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)。每個(gè)揚(yáng)聲器都有不同的特性和響應(yīng)曲線。即使是相同型號(hào)的揚(yáng)聲器，其頻率響應(yīng)也往往會(huì)有細(xì)微的變化，但制造商通常會(huì)提供一條典型的頻率響應(yīng)曲線。例如，圖 1 顯示了 CUI Devices GC0401K 8 歐姆 （Ω）、1 瓦揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)曲線。GC0401K 的額定頻率在 390 赫茲 （Hz） 和 20 千赫茲 （kHz） 之間。

圖 1：CUI Devices 的 GC0401K 8Ω、1 瓦揚(yáng)聲器的額定頻率在 390 Hz 和 20 kHz 之間。（圖片來源：CUI Devices）

　　揚(yáng)聲器額定使用區(qū)間通常是其響應(yīng)曲線中響應(yīng)相對(duì)平坦的區(qū)域。仔細(xì)觀察圖 1 可以發(fā)現(xiàn)，GC0401K 的頻率響應(yīng)在約 350 Hz 時(shí)開始變平，至少到 9 kHz 時(shí)保持相對(duì)平坦。高頻率區(qū)有一定的下降，但在 20 kHz 以內(nèi)仍然穩(wěn)定。

　　CUI Devices 的 GF0668 則可以看到不同的揚(yáng)聲器頻率響應(yīng)（圖 2）。這款揚(yáng)聲器的體積更大一些，可以輸出 3 瓦的功率。頻率響應(yīng)額定區(qū)間為 240 Hz 至 20 kHz。這款揚(yáng)聲器可以播放比 GC0401K 略低的頻率，但再次要注意的是，在指定的范圍內(nèi)，曲線比較平坦，但在整個(gè)曲線長(zhǎng)度仍有一些低谷和峰值。

圖 2：CUI Devices 的 GF0668 8 Ω、3 瓦揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)顯示了為什么它的額定頻率范圍為 240 Hz 至 30 kHz。（圖片來源：CUI Devices）

　　最后一個(gè)值得關(guān)注的揚(yáng)聲器響應(yīng)是 Soberton， Inc. 的 SP-2804Y（圖 3）。SP-2804Y 是一款 500 毫瓦 （mW） 揚(yáng)聲器，頻率響應(yīng)范圍為 600 Hz 至 8 kHz。物理定律決定，揚(yáng)聲器越小，對(duì)低頻的響應(yīng)時(shí)間就越差。這意味著，如果開發(fā)人員不濾波掉低頻就試圖以這些頻率來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，其結(jié)果可能是一些本來聽起來應(yīng)該晶瑩剔透的音色變得很粗糙或有缺陷。

　　請(qǐng)注意，在 10 kHz 左右的頻率響應(yīng)也有明顯的下滑。因此，該揚(yáng)聲器的額定頻率僅為 8 kHz，盡管在某些應(yīng)用中，其使用頻率可能高至 20 kHz。

圖 3：Soberton Inc. 的 SP-2804Y 8Ω、0.5 瓦揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)顯示其適合頻率范圍為 600 Hz 至 8 kHz 頻率。它在 10kHz 后有一個(gè)下降，但在某些應(yīng)用中仍可使用到 20 kHz。（圖片來源：CUI Devices）

　　從每個(gè)揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)來看，顯然需要進(jìn)行某種濾波和調(diào)校，因?yàn)橛行╊l率是不應(yīng)該驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的。例如，試圖在這些揚(yáng)聲器上驅(qū)動(dòng) 4 赫茲的低音，可能會(huì)引起持久的振動(dòng)，而高頻率注入其中時(shí)會(huì)導(dǎo)致大量聲音失真。

　　音頻數(shù)字濾波器塊解剖

　　過去用來調(diào)出不需要頻率的一種方法是在通往揚(yáng)聲器路徑上設(shè)立硬件濾波器。例如，500Hz 的高通濾波器可以防止 500Hz 以下的頻率進(jìn)入揚(yáng)聲器。在另一端，可以使用低通濾波器來去除任何高于 15 kHz 的音調(diào)。從我個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來看，有時(shí)如果用小揚(yáng)聲器來播放女性的聲音，而小揚(yáng)聲器的效率又比較高，那么揚(yáng)聲器就會(huì)發(fā)出高亢的顫音。仔細(xì)選擇頻率可以消除這些失真，創(chuàng)造出更純凈的音色。

　　雖然外部硬件濾波器可以完成這項(xiàng)工作，但它們會(huì)增加成本并占用額外的空間。基于這些原因，使用音頻編解碼器中內(nèi)置的數(shù)字濾波器塊對(duì)音頻進(jìn)行調(diào)校更為實(shí)用和高效。

　　例如，在 AKM Semiconductor AK4637 24 位音頻編解碼器的框圖中就突出顯示了數(shù)字濾波器塊（圖 4）。

圖 4：AK4637 是一款具有單聲道揚(yáng)聲器輸出的音頻編解碼器，具有音頻播放和錄音功能。該器件還包含內(nèi)部音頻功能塊，可用于對(duì)輸入和輸出的音頻進(jìn)行濾波，以提高音頻保真度。（圖片來源：AKM Semiconductor）

　　在此實(shí)例數(shù)字濾波器塊中包含了幾種不同的濾波功能，具體包括：

• 　　高通濾波器 （HPF2）
• 　　低通濾波器 （LPF）
• 　　四段均衡器（4 段 EQ）
• 　　自動(dòng)調(diào)平控制 （ALC）
• 　　一段均衡器（1 段 EQ）

　　這些功能并不需要全部啟用。開發(fā)人員可以選擇自己需要的功能，可以啟用和禁用該塊或或通過它們連接麥克風(fēng)或播放音頻。在這個(gè)接合點(diǎn)，真正的問題是如何對(duì)音頻編解碼器進(jìn)行計(jì)算和編程？

　　數(shù)字濾波器參數(shù)如何計(jì)算和編程

　　在大多數(shù)音頻應(yīng)用中，高通濾波器用于去除低頻，低通濾波器用于排除高頻。均衡器可用于平滑頻率響應(yīng)曲線或加強(qiáng)某些音調(diào)。這些設(shè)置到底該如何選擇，不在本文討論范圍之內(nèi)。相反，本文將以 AKM AK4637 為例，探討如何計(jì)算并編程與這些參數(shù)相關(guān)的值。

　　首先，看一下規(guī)格書總是有好處的。該編解碼器規(guī)格書第 7 和第 8 頁(yè)顯示了最重要的寄存器圖。鑒于該器件有 63 個(gè)寄存器，第一眼看上去可能是云里霧里。然而，這些寄存器中有許多是控制數(shù)字音頻塊的。例如，寄存器 0x22 至 0x3F 控制均衡器。寄存器 0x19 至 0x1C 控制高通濾波器，0x1D 至 0x20 控制低通濾波器。

　　開發(fā)人員通常不能只指定一個(gè)頻率輸入到編解碼器中。相反，有一個(gè)濾波器方程可用于計(jì)算濾波器系數(shù)，然后將其編程到編解碼器寄存器中，以創(chuàng)建所需頻率的濾波器。例如，要使用數(shù)字濾波器塊創(chuàng)建一個(gè) 600 Hz 的高通濾波器，使用公式 1：

圖 5：如圖所示為計(jì)算 AK4637 數(shù)字濾波器塊高通濾波器的系數(shù)所需的公式。（圖片來源：AKM Semiconductor）

　　開發(fā)人員應(yīng)確定所需的截止頻率 fc，在這種情況下是 600 Hz。音頻采樣頻率 fs 通常為 48 kHz，但可以根據(jù)應(yīng)用情況而改變。這些值隨后會(huì)代入計(jì)算系數(shù) A 和 B 的方程中，然后在啟動(dòng)期間，這些值會(huì)通過 I2C 寫入編解碼器寄存器。同樣的過程將用于低通濾波器和其他數(shù)字塊功能，盡管傳輸功能通常不同，但都需要使用它們自己的方程組（參考規(guī)格書）。

　　音頻編解碼器調(diào)校小技巧

　　音頻編解碼器中包含的數(shù)字濾波器塊通常是相當(dāng)靈活和強(qiáng)大的。即使是低成本的音頻編解碼器也能為開發(fā)人員提供生成高保真音頻所需的工具。不過歸根結(jié)底，音頻編解碼器只是其中一塊拼圖。要想成功地調(diào)校一個(gè)音頻編解碼器，有幾個(gè)“小竅門”開發(fā)人員應(yīng)該牢記，比如：

　　確保將應(yīng)用的揚(yáng)聲器安裝在適合的外殼中。一個(gè)設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)膿P(yáng)聲器箱很容易毀掉一個(gè)原本完美的播放系統(tǒng)。

　　在系統(tǒng)完全按照其生產(chǎn)意圖配置組裝好之前，不要調(diào)校編解碼器音頻濾波器塊。否則，調(diào)諧參數(shù)可能會(huì)改變。

　　根據(jù)要播放的音頻選擇頻率范圍。例如，吉他、鋼琴或有人說話的音樂的頻率設(shè)置都會(huì)不同。

　　使用數(shù)字平衡塊來補(bǔ)償揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)。有些頻率的聲音自然會(huì)更響亮、更清晰，有些可能需要進(jìn)行衰減，而有些可能需要進(jìn)行放大。

　　使用測(cè)試音調(diào)來評(píng)估系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。通過簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)搜索，可以找到各種音頻音調(diào)的 mp3 文件，可用它們來了解音頻播放系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和數(shù)字濾波器塊的工作方式。

　　將濾波器塊配置設(shè)置值存儲(chǔ)在閃存或 EEPROM 中，以便在生產(chǎn)過程中進(jìn)行設(shè)置，從而考慮系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的差異（如果需要的話）。

　　遵循這些“小技巧”的開發(fā)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，他們?cè)趪L試調(diào)校音頻播放系統(tǒng)時(shí)，會(huì)節(jié)省不少時(shí)間并省去很多麻煩，從而確保產(chǎn)品能以預(yù)期的音頻特性上市。

　　結(jié)語(yǔ)

　　在嵌入式系統(tǒng)中添加一個(gè)音頻編解碼器對(duì)最終用戶來說并不能保證是好事。每一套音頻播放系統(tǒng)都需要精心調(diào)校?？梢允褂猛獠繛V波器來實(shí)現(xiàn)這種調(diào)校，但音頻編解碼器內(nèi)置了數(shù)字濾波和平衡功能。如上所述，這些功能可以用來只給揚(yáng)聲器提供最適合的頻率。通過仔細(xì)分析濾波器設(shè)置并予以應(yīng)用，開發(fā)人員可以調(diào)校出終端用戶對(duì)其設(shè)備所期望的純凈音質(zhì)。