音頻系統(tǒng)芯片選擇多項性能參數(shù)詳解

　　產(chǎn)品最終贏在細(xì)節(jié)，嘗試了種種帶硬傷的產(chǎn)品之后，我們最后不得不放棄了國產(chǎn)芯片，選擇了國外A廠家的產(chǎn)品。從A廠家的硬件系統(tǒng)看，可以得出的結(jié)果就是其硬件細(xì)節(jié)做得相當(dāng)好。我們測試其芯片發(fā)現(xiàn)，其一致性很高，同時系統(tǒng)余量設(shè)計得很好。標(biāo)稱375MHz的芯片，在非最高核心電壓情況下基本都可以穩(wěn)定超頻到572MHz，高出標(biāo)稱頻率的50%，同時DDR2時鐘超頻60%，性能不俗。從寄存器設(shè)計來說，不少都是根據(jù)Linux系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的，因此只要熟悉軟件就很容易熟悉其硬件。

　　在大規(guī)模數(shù)據(jù)吞吐的部分，A廠家使用了鏈接DMA，這個細(xì)節(jié)完美保證輸出數(shù)據(jù)流的連續(xù)，最大限度保證了最重要的I2S數(shù)據(jù)輸出不會丟幀。我們測試的時候一邊解碼一邊通過SD卡進(jìn)行本地數(shù)據(jù)解壓，在CPU滿負(fù)荷的情況下都沒有出現(xiàn)丟幀，可見A廠家硬件的功力之強(qiáng)。

　　在此我們分析一下，為什么會丟幀。其實大部分系統(tǒng)都是完成數(shù)據(jù)流的一個傳輸，音頻解碼的數(shù)據(jù)流向就是從SD卡等媒體讀出原始碼流，然后經(jīng)CPU解碼之后送I2S輸出，這個過程有涉及到重要數(shù)據(jù)傳輸?shù)木褪敲襟w到RAM，再從RAM到I2S的過程，這些數(shù)據(jù)流都是DMA完成的，而瓶頸就在DMA切換的過程。Linux的文件系統(tǒng)由系統(tǒng)進(jìn)行緩存，對時序的要求不高，而I2S要求連續(xù)的數(shù)據(jù)，就和I2S的FIFO有密切的關(guān)系，如果不是系統(tǒng)自動切換緩沖區(qū)的話，就要求CPU介入切換，而CPU的中斷響應(yīng)時間就會嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的連續(xù)性。比如I2S的FIFO是32個數(shù)據(jù)，如果I2S的LRCK是192kHz，那么能夠給CPU的中斷時間最長就是32/2/192kHz=83µs，而且根據(jù)中斷機(jī)制，一般是FIFO剩下一半的時候申請中斷，那么時間就只有不到50µs，這個速度在普通Linux系統(tǒng)基本無法滿足需求，因此丟幀就是必然。IC廠家設(shè)計的時候指標(biāo)都是按96kHz的硬件指標(biāo)來設(shè)計，當(dāng)然無法滿足高端系統(tǒng)的要求了。A廠家的自動DMA鏈不需要CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)的切換，而通過軟件劃分2塊或以上的數(shù)據(jù)（Ping pong buffer）讓DMA自動切換，如此就完美保證了輸出數(shù)據(jù)的連續(xù)性。對音響系統(tǒng)而言，只要I2S出現(xiàn)丟幀馬上就會被察覺，更無法通過儀器的檢測，所以這個細(xì)節(jié)如果做不到位是無法走向市場的。

　　另外A廠家的硬件包含了SATA接口以及兼容性和速度都無可挑剔的USB 2.0 host/SD卡支持，更出色的地方是，小小一個ARM9芯片還帶了EMAC，同時帶了兩個小單片機(jī)，每個的速度是系統(tǒng)時鐘速度的一半，這個小單片機(jī)可以實現(xiàn)的功能遠(yuǎn)比普通MCU的功能多。如果嫌CPU速度不夠，還可以選擇引腳兼容的帶浮點(diǎn)DSP的片子，這個DSP的運(yùn)算能力相當(dāng)于同等ARM9在2G以上的運(yùn)算速度，這對數(shù)據(jù)后端處理有著至關(guān)重要的性能提升。A廠家的片子還提供TF卡啟動功能，這樣的話可以完美地避開NAND發(fā)展所帶來的問題，同時解決Linux在NAND建立的文件系統(tǒng)的啟動速度問題。

　　這里再說說時鐘電路。由于需要支持32K~192K采樣率，因此必須能夠生成對應(yīng)的時鐘，同時要求jitter低于50ps（處理器內(nèi)置PLL時鐘一般在200ps以上）。而對于DAC，很多國產(chǎn)芯片都因為集成的成本低而將DAC集成到CPU里面，但這樣做使得性能無法提高，比如THD+N最高只能到90dB左右，而目前世界頂級的DAC其THD+N達(dá)到驚人的-120dB，同時提供135dB的動態(tài)范圍。這樣高的性能對整個系統(tǒng)設(shè)計都有極其嚴(yán)格的要求，因此國外同類產(chǎn)品售價都不低于4，000美元。另外硬件系統(tǒng)設(shè)計最后的一個關(guān)鍵點(diǎn)就是PCB走線。

　　在軟件方面，系統(tǒng)需要覆蓋數(shù)十種優(yōu)化過的音頻解碼器，解碼輸出數(shù)字信號要經(jīng)過DSP后處理，另外還涉及到FPGA Verilog軟件編程、網(wǎng)絡(luò)UPNP協(xié)議控制、文件共享、遠(yuǎn)程播放/控制等多種協(xié)議，涵蓋范圍相當(dāng)廣泛，目前國內(nèi)基本上還沒有供應(yīng)商能進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計和制作。

　　小結(jié)

　　音頻系統(tǒng)屬于典型的低頻模擬信號和高頻數(shù)字信號結(jié)合的系統(tǒng)，因此能做好的廠家國際上都是屈指可數(shù)，國內(nèi)更是罕見。經(jīng)過我們?nèi)甓嗟难邪l(fā)，系統(tǒng)終于達(dá)到了國際中上游水平，產(chǎn)品聽感和國際一線品牌Linn Akurate DS相當(dāng)，由于系統(tǒng)設(shè)計合理得當(dāng)，在嚴(yán)格的聽音環(huán)境通過監(jiān)聽音箱和與市場價格在12，000元左右某知名歐洲品牌的DAC A/B對比，聽感更勝一籌。