音頻系統芯片選擇多項性能參數詳解

　　產品最終贏在細節，嘗試了種種帶硬傷的產品之后，我們最后不得不放棄了國產芯片，選擇了國外A廠家的產品。從A廠家的硬件系統看，可以得出的結果就是其硬件細節做得相當好。我們測試其芯片發現，其一致性很高，同時系統余量設計得很好。標稱375MHz的芯片，在非最高核心電壓情況下基本都可以穩定超頻到572MHz，高出標稱頻率的50%，同時DDR2時鐘超頻60%，性能不俗。從寄存器設計來說，不少都是根據Linux系統的數據結構設計的，因此只要熟悉軟件就很容易熟悉其硬件。

　　在大規模數據吞吐的部分，A廠家使用了鏈接DMA，這個細節完美保證輸出數據流的連續，最大限度保證了最重要的I2S數據輸出不會丟幀。我們測試的時候一邊解碼一邊通過SD卡進行本地數據解壓，在CPU滿負荷的情況下都沒有出現丟幀，可見A廠家硬件的功力之強。

　　在此我們分析一下，為什么會丟幀。其實大部分系統都是完成數據流的一個傳輸，音頻解碼的數據流向就是從SD卡等媒體讀出原始碼流，然后經CPU解碼之后送I2S輸出，這個過程有涉及到重要數據傳輸的就是媒體到RAM，再從RAM到I2S的過程，這些數據流都是DMA完成的，而瓶頸就在DMA切換的過程。Linux的文件系統由系統進行緩存，對時序的要求不高，而I2S要求連續的數據，就和I2S的FIFO有密切的關系，如果不是系統自動切換緩沖區的話，就要求CPU介入切換，而CPU的中斷響應時間就會嚴重影響數據的連續性。比如I2S的FIFO是32個數據，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，而且根據中斷機制，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系統基本無法滿足需求，因此丟幀就是必然。IC廠家設計的時候指標都是按96kHz的硬件指標來設計，當然無法滿足高端系統的要求了。A廠家的自動DMA鏈不需要CPU進行數據的切換，而通過軟件劃分2塊或以上的數據（Ping pong buffer）讓DMA自動切換，如此就完美保證了輸出數據的連續性。對音響系統而言，只要I2S出現丟幀馬上就會被察覺，更無法通過儀器的檢測，所以這個細節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，每個的速度是系統時鐘速度的一半，這個小單片機可以實現的功能遠比普通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DSP的片子，這個DSP的運算能力相當于同等ARM9在2G以上的運算速度，這對數據后端處理有著至關重要的性能提升。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發展所帶來的問題，同時解決Linux在NAND建立的文件系統的啟動速度問題。

　　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的時鐘，同時要求jitter低于50ps（處理器內置PLL時鐘一般在200ps以上）。而對于DAC，很多國產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達到驚人的-120dB，同時提供135dB的動態范圍。這樣高的性能對整個系統設計都有極其嚴格的要求，因此國外同類產品售價都不低于4，000美元。另外硬件系統設計最后的一個關鍵點就是PCB走線。

　　在軟件方面，系統需要覆蓋數十種優化過的音頻解碼器，解碼輸出數字信號要經過DSP后處理，另外還涉及到FPGA Verilog軟件編程、網絡UPNP協議控制、文件共享、遠程播放/控制等多種協議，涵蓋范圍相當廣泛，目前國內基本上還沒有供應商能進行相關的設計和制作。

　　小結

　　音頻系統屬于典型的低頻模擬信號和高頻數字信號結合的系統，因此能做好的廠家國際上都是屈指可數，國內更是罕見。經過我們三年多的研發，系統終于達到了國際中上游水平，產品聽感和國際一線品牌Linn Akurate DS相當，由于系統設計合理得當，在嚴格的聽音環境通過監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。