便攜式應(yīng)用中的音頻接口 - 全文

　　針對不同的數(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中存在的幾種音頻接口規(guī)格。

　　PCM規(guī)格

　　最簡單的音頻接口之一是所謂的PCM(脈沖編碼調(diào)制)接口。嚴格地說，所有數(shù)字信號進行傳輸都要經(jīng)過PCM，并且需要仔細參照用于數(shù)字電話的單聲道機制。PCM接口由時鐘脈沖(BCLK)、幀同步信號(FS)及數(shù)據(jù)隊列組成，每個PCM對應(yīng)一個將要接收或?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　在FS信號的上升沿，數(shù)據(jù)傳輸從MSB(Most SignificantBit)字開始，F(xiàn)S頻率等于采樣率。FS信號之后開始數(shù)據(jù)字的傳輸，單個的數(shù)據(jù)位按順序進行傳輸，1個時鐘周期傳輸1個數(shù)據(jù)字。發(fā)送MSB時，信號的等級首先降到最低，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，但需要每個音頻通道獲得一個獨立的數(shù)據(jù)隊列，這種屬性會使PCM在數(shù)字電話等初級目標應(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80年代首先被飛利浦用于消費音頻，并在一個稱為LRCLK(Left/RightCLOCK)的信號機制中經(jīng)過多路轉(zhuǎn)換，將兩路音頻信號成單一的數(shù)據(jù)隊列。當LRCLK為高時，左聲道數(shù)據(jù)被傳輸;LRCLK為低時，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)。對于多通道系統(tǒng)，在同樣的BCLK和LRCLK條件下，并行執(zhí)行幾個數(shù)據(jù)隊列也是可能的。

　　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通常通過寫入內(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 的標準頻率)和48kHz(計算機音頻標準頻率)都是應(yīng)用非常廣泛的頻率。

　　對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模擬鎖相環(huán)(PLL)和兩個同步反饋，并在不同頻率上進行記錄。而且在評估接口的功效時，必須將增加的功耗計算在內(nèi)。第二種情況雖然加強了計算能力，但也使處理器的功耗顯著增加。而且當這個處理器同時執(zhí)行用戶應(yīng)用程序時，整個系統(tǒng)運行速度會變慢，在音頻打開時甚至停止運行。

　　現(xiàn)在越來越多的消費者希望從數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、MP3播放器、手提DVD機、便攜式多媒體播放器及多媒體處理器中獲取更好的聽覺效果和更多的功能。歐勝公司為此擴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，可以通過屏幕顯示直接與電視機相連。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實現(xiàn)，WM8978系統(tǒng)就是對2004年10月推出的WM8974系統(tǒng)的全面立體聲功能的升級。

　　三款產(chǎn)品以DSP微處理器為內(nèi)核，可將風(fēng)聲等過濾，來提高音頻系統(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)通常也支持時鐘頻率在12MHz～19MHz的麥克風(fēng)及手機喇叭的驅(qū)動部分，可進一步減少產(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到900mW，數(shù)字式錄音回放限制器防止喇叭的過量輸出，三款解碼器產(chǎn)品的模擬部分需要的供電電壓低達2.5V，數(shù)字部分的供電電壓低達1.6V。

　　隨著移動產(chǎn)品需求的急劇增加，通過把兩種接口技術(shù)應(yīng)用于一體，可以將簡單的傳輸單聲道音頻的形式與諸如Hi-Fi功能的可拓展標準相融合，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回放時可以輕松地處理來電。

　　WM8753L將IIS協(xié)議中的立體聲Hi-Fi模數(shù)轉(zhuǎn)換器與獨立的單聲道PCM數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)集成在一個芯片中，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，解碼器在進行立體聲回放時最低功耗是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音器的雙接口技術(shù)，其中包括喇叭、耳機以及聽筒的驅(qū)動部分。外部器件已經(jīng)不再需要分離的耳機或者耳機放大器部分，cap-less接口方式可以連接所有負載。嵌入式數(shù)字信號處理系統(tǒng)可以對音調(diào)、低音強化、自動調(diào)整耳機音量或模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進行控制。這兩種模數(shù)轉(zhuǎn)換方式能夠?qū)﹄pDSP系統(tǒng)進行噪音消除或進行立體聲的存儲。

　　在主時鐘頻率為12MHz～24MHz的具有USB接口的系統(tǒng)、19.2MHz的移動系統(tǒng)以及標準的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)換所需要的時鐘頻率。如果音頻系統(tǒng)中需要的時鐘頻率已經(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)標準是Intel公司為計算機音頻而指定的。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接口包括位時鐘(BITCLK)、同步信號校正(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)隊列。AC'97數(shù)據(jù)幀以SYNC脈沖開始，包括12個20位時間段(時間段為標準中定義的不同的目的服務(wù))及16位“tag”段，共計256個數(shù)據(jù)序列。例如，時間段“1”和“2”用于訪問編碼的控制寄存器，而時間段“3”和“4”分別負載左、右兩個音頻通道。“tag”段表示其他段中哪一個包含有效數(shù)據(jù)。把幀分成時間段使傳輸控制信號和僅通過4根線到達9個音頻通道或轉(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12幀的一幀處各個時間段被標記為無效，有效數(shù)據(jù)點通過編碼器中的D/A轉(zhuǎn)換器被均勻地分布到每個時間段形成低失真模擬信號，這種方法與PLL或有采樣率轉(zhuǎn)換的情況相比具有相當少的功耗。

　　AC'97的復(fù)雜度在于更高的門數(shù)和接口本身的功耗，通過系統(tǒng)級措施，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采樣率的復(fù)雜系統(tǒng)，如電話機和多媒體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在傳輸無音頻附加數(shù)據(jù)碼時具有特有的帶寬及傳輸協(xié)議。因此，當AC'97系統(tǒng)使用時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)動技術(shù)、高保真立體聲技術(shù)、聲音及鈴音管理技術(shù)。筆寫檢測以及壓力檢測能力可以利用一個4管腳AC-link總線及數(shù)據(jù)接口實現(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、掌上電腦及智能手機中的情況類似于I2S/PCS系統(tǒng)。歐勝公司的WM9713產(chǎn)品在WM9712基礎(chǔ)上增加了一個音頻解碼器用來進行手機對話管理，以盡可能地延長電池的使用壽命。

　　Azalia規(guī)格進入計算機和消費者音頻中

　　在計算機和消費音頻中，AC'97規(guī)格正被近來由Intel發(fā)展起來的Azalia規(guī)格所代替。這種新的標準是對AC'97規(guī)格的加強，它包括32位解決方案、高達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、激活插入單個插座中的揚聲器。另外，使用27.576kHz (是AC'97的兩倍)的位時鐘引起的額外功耗是延長電池壽命的一大障礙。因此，如果不考慮在其他市場進行發(fā)展，Azalia在便攜應(yīng)用中成為主流的機會很小。