嵌入式音頻處理基礎

音頻DAC

　　傳統的D/A轉換方法有加權電阻器、R-2R梯形網絡和零點交叉失真等。正如A/D中的情況那樣，Σ-Δ設計統治了D/A轉換的領域。這些轉換器可以接受16位44.1kHz的信號，然后使用插值濾波器把它轉換為2.8224MHz的1位樣點流。然后用1位的DAC把這些超級采樣的樣點流轉換成模擬信號。

　　一個典型的嵌入式數字音頻系統可以使用一個Σ-Δ音頻ADC和一個Σ-Δ DAC，因此，在PCM信號和過采樣流之間的轉換要進行兩次。由于這個原因，Sony與Philips (NXP半導體)已經在它們的Super Audio CD(SACD)格式中引入了一種與PCM不同的格式，被稱為直接流數字(DSD)。這種格式用1位的高頻(2.8224MHz) Σ-Δ流來存儲數據，因而繞過了PCM轉換。它的缺點是，DSD流不像PCM那樣直觀，而且需要一套獨立的數字音頻算法。

　　連接至音頻轉換器：一個ADC的例子

　　好了，我們有了足夠的背景知識。現在讓我們看一下實際的轉換器連接的例子。對于低成本音頻ADC的很好的選擇是ADI公司的AD1871，它使用Σ-Δ技術以96kHz的速率進行24位的轉換。圖3a示出了AD1871的功能框圖。這個轉換器有左(VINLx)和右(VINRx)兩個輸入聲道，這其實就是能夠處理立體聲數據的另外一種說法。數字化的音頻數據是通過數據端口串行流出的，通常流到信號處理器的一個相應的串行端口(如Blackfin處理器上的SPORT接口)。另外還有一個SPI(串行外圍接口)端口，利用該端口，主處理器可對AD1871通過軟件命令進行配置。這些命令包括設置采樣率、字長、聲道增益和靜音等的方法，還有其他一些參數的設定。

　　圖3 (a)AD1871音頻ADC的功能框圖
(b) 一個ADSP-BF533媒體處理器與AD1871的無縫連接

　　正如圖3b中的框圖所指出的，AD1871 ADC與 Blackfin處理器可無縫連接。電路的模擬部分被簡化了，因為在這個討論中只有數字信號才是重要的。AD1871的過采樣率由外部晶振提供。圖中的處理器有2個串行端口(SPORT)和一個SPI端口，用于連接AD1871。被配置成I2S模式的SPORT是與AD1871進行數據連接的端口，而 SPI端口用作控制連接。

　　I2S協議是由Philips(NXP半導體)為音頻信號的數字傳輸而開發的一個標準。該標準使音頻設備制造商所生產的器件可以相互兼容。

　　確切地說，I2S是一種用于傳輸立體聲數據的3線串行接口。正如圖4a中所示，它規定了位時鐘(中)、數據線(下)和左右同步線(上)，而左右同步線用來選擇當前正在傳送的數據幀是左聲道的還是右聲道的。

　　從本質上講，I2S是一個帶有兩個活動聲道的時分復用(TDM)串行流。TDM是一種通過一條物理鏈路傳輸超過一個聲道(比如左聲道與右聲道)的方法。

　　在AD1871電路結構中，當對SPORT時鐘(RSCLK)和幀同步(RFS)線進行驅動時，ADC可以降低它從外部晶振接收到的12.288 MHz采樣率。該配置保證了采樣和數據傳輸是同步的。

　　SPI接口，如圖4b所示，是Motorola為了使主處理器可以與各種數字器件相連而設計的。這個在SPI主設備與SPI從設備之間的接口由一條時鐘線(SCK)、兩條數據線(MOSI和MISO)和一條從設備選擇(SPISEL)線組成。其中一條數據線由主設備(MOSI)驅動，而另一條由從設備(MISO)驅動。在圖3b的例子中，處理器的SPI端口是無縫地與AD1871的SPI模塊相連接的。

　　圖4 (a)數據信號由AD1871使用I2S協議進行傳送
(b) SPI 3線接口用于控制AD1871

　　帶有獨立SPI控制端口的音頻編解碼器允許主處理器在運行中修改ADC的設置。除了靜音和增益控制外，其中一個確實很有用的ADC(如AD1871)設置是對節電模式的設置能力。對于電池供電的應用來說，這通常是一個本質功能。

　　DAC與編解碼器

　　將音頻DAC與主處理器相連接與我們才討論過的與ADC連接的過程完全一樣。在一個同時使用ADC和DAC的系統中，同一個支持雙向傳輸的串行端口可以同時連接這兩者。