音頻系統標準和協議探討

　　利用多聲道、多揚聲器系統和先進的音頻算法，音頻系統能夠惟妙惟肖地模擬真實聲音。這些復雜的音頻系統使用ASIC或DSP來解碼多聲道編碼音頻，并且運行各種后處理算法。聲道數量越多，意味著存儲器和帶寬要求越高，這就需要使用音頻數據壓縮技術來編碼并減少所要存儲的數據。這些技術還能用來保持聲音質量。

　　與數字音頻一同發展的還有音頻標準和協議，其目的是簡化不同設備之間的音頻數據傳輸，例如，音頻播放器與揚聲器之間、DVD播放器與AVR之間，而不必將數據轉換為模擬信號。

　　本文將討論與音頻行業相關的各種標準和協議，同時也會探究不同平臺的音頻系統結構以及各種音頻算法和放大器。

　　標準和協議

　　S/PDIF標準——該標準定義了一種串行接口，用于在DVD/HD-DVD播放器、AVR和功率放大器等各種音頻設備之間傳輸數字音頻數據。當通過模擬鏈路將音頻從DVD播放器傳輸到音頻放大器時，會引入噪聲，該噪聲很難濾除。不過，如果用數字鏈路代替模擬鏈路來傳輸音頻數據，問題就會迎刃而解。數據不必轉換為模擬信號就能在不同設備之間傳輸，這是S/PDIF的最大優勢。

　　該標準描述了一種串行、單向、自備時鐘的接口，可互連那些采用線性PCM編碼音頻采樣的消費和專業應用數字音頻設備。它是一種單線、單信號接口，利用雙相標記編碼進行數據傳輸，時鐘則嵌入數據中，在接收端予以恢復(見圖1)。此外，數據與極性無關，因此更易于處理。S/PDIF是從專業音頻所用的AES/EBU標準發展而來。二者在協議層上一致，但從XLR到電氣RCA插孔或光學TOSLINK的物理連接器發生了改變。本質上，S/PDIF 是AES/EBU格式的消費型版本。S/PDIF接口規范主要由硬件和軟件組成。軟件通常涉及S/PDIF幀格式，硬件則涉及設備間數據傳輸所使用的物理連接媒介。用于物理媒介的各種接口包括：晶體管與晶體管邏輯、同軸電纜(以RCA插頭連接的75Ω電纜)和TOSLINK(一種光纖連接)。

　　圖1 S/PDIF雙相標記編碼流

　　S/PDIF協議——如上文所述，它是一種單線串行接口，時鐘嵌入數據之中。傳輸的數據采用雙相標記編碼。時鐘和幀同步信號在接收器端與雙相解碼數據流一同恢復。數據流中的每個數據位都有一個時隙。時隙以一個躍遷開始，并以一個躍遷結束。如果傳輸的數據位是“1”，則時隙中間還會增加一個躍遷。數據位“0”則不需要額外躍遷，躍遷之間的最短間隔稱為單位間隔(UI)。

　　S/PDIF幀格式——首先驅動數據的最低有效位。每個幀有兩個子幀，分別是32個時隙，共64個時隙(見圖2)。子幀以一個前導碼開始，后面跟隨24位數據，最后以攜帶用戶數據和通道狀態等信息的4位結束。子幀的前4個時隙稱為前導碼，用于指示子幀和塊的開始。前導碼有三個，每一前導碼均包含一個或兩個持續時間為3UI的脈沖，從而打破雙相編碼規則。這意味著，該模式不可能存在于數據流中的其他地方。每個子幀都以4位前導碼開始。塊的開始用前導碼“Z”和子幀通道的開始“A”表示。前導碼“X”表示通道“A”子幀的開始(不同于塊的開始)，前導碼“Y”表示通道“B”子幀的開始。

　　圖2 S/PDIF子幀、幀和塊格式

　　I2S總線——在當今的音頻系統中，數字音頻數據在系統內部的各種器件之間傳輸，例如編解碼器、DSP、數字IO接口、ADC、DAC和數字濾波器之間。因此，為了增強靈活性，必須有一個標準的協議和通信結構。專為數字音頻而開發的I2S總線規范現已被許多IC廠商采用，它是一種簡單的三線同步協議，包括如下信號：串行位時鐘(SCK)、左右時鐘或字選擇(WS)以及串行數據。WS線表示正在進行傳輸的聲道。當WS為邏輯高(HI)電平時，右聲道進行傳輸;當WS為邏輯低(LO)電平時，左聲道進行傳輸。發送器以二進制發送數據，首先補足MSB。幾乎所有DSP的串行端口都將I2S作為串行端口模式之一。音頻編解碼器也支持這種模式。

　　采樣速率轉換器(SRC)——這是音頻系統的一個重要組成部分。采樣速率轉換既可以通過軟件實現，也可以通過一些處理器的片內硬件來支持(見圖3)。它主要用于將數據從一個采用特定采樣速率的時鐘域轉換到另一個采用相同或不同采樣速率的時鐘域。

　　圖3 采樣速率轉換過程的四個不同階段

　　音頻可以采用不同采樣速率進行編碼，其他任務由編解碼器完成。某些情況下需要改變編解碼器的主時鐘，以支持特定采樣速率。從采用某一采樣速率的音頻轉換為采用不同采樣速率的音頻時，即時改變主時鐘并不是一件容易的事，有時甚至不可能完成，因為需要更改電路板上的硬件。因此，采樣速率轉換一般在將數據驅動到編解碼器之前執行。這樣，編解碼器的采樣速率不需要改變，可以保持恒定。串行端口以采樣頻率1發送音頻數據到另一端的SRC和編解碼器，然后以采樣頻率2從SRC讀取音頻數據。

　　SRC分為兩種類型：同步SRC和異步SRC。與同步SRC連接的輸出器件為“從機”，與異步SRC連接的器件為“主機”。“主機”是指驅動SCK和幀同步信號的器件。

　　SRC利用輸出采樣速率極高的插值濾波器和零階保持器(ZOH)將離散時間信號轉換為連續時間信號。插值值被饋送至ZOH，并以Fs out的輸出采樣頻率進行異步采樣。

音頻系統

　　大多數手持式音頻設備支持雙聲道，并能解碼MP3、Ogg、WMA媒體格式。這些設備大多依賴電池供電。還有許多手機，其中一些稱為“音樂手機”，也屬于此類設備。另一方面，家庭影院系統支持多揚聲器、多聲道音頻，例如，Dolby、DTS和各種其他音頻后處理算法(THX、 ART、Neo6等)。

　　便攜式音頻系統——有些手持式音頻系統采用ASIC，有些則采用DSP。MP3、Ogg和其他媒體文件等音頻內容通常存儲在高密度存儲設備中，如NAND閃存、安全數字(SD)卡、多媒體卡(MMC)和安全數字高容量卡(SDHC)等。

　　圖4顯示了與ASIC/DSP的主要系統接口。SD和MMC還支持串行SPI模式，DSP和各種微控制器/微處理器通常提供此種模式。某些處理器片內支持這些標準。利用處理器的其他資源/接口，如并行端口或異步存儲器接口等，也可以通過軟件實現這些協議。當然，軟件實現方法會增加開銷。對于運行操作系統(OS)或內核的系統，必須使這些接口和驅動程序與OS兼容，而不應依賴中斷服務等。OS環境下可能會引起不可預測的延遲，影響接口時序規格，使得接口不可靠，有時甚至無法工作。為了確保OS兼容，可能需要使用額外的硬件膠合邏輯。

　　圖4 手持式音頻系統框圖

　　例如，一個設計示例(見圖5)在處理器的外部存儲器接口上實現了SD 2.0規范。數據總線不僅用于數據傳輸，而且用于與SD卡交換命令和響應。在SD卡的4位模式下，數據總線的D0至D3信號連接到SD卡的數據線(DAT0至DAT3)。處理器數據總線的D4用于與SD卡進行命令和響應通信。由于命令字必須通過CMD信號串行發送，因此一系列8位字形成內部存儲器中的幀，使得各個字的D4依次具有命令字的一位。這種數據重排是通過函數調用在軟件中完成。類似地，軟件對接收的狀態信息和來往SD卡的實際數據執行數據重排。SD卡時鐘信號自ARE/(讀取選通)和AWE/(寫入選通)信號獲得。ARE/和AWE/連接到一個具有開集輸出的緩沖器的輸入端。AMS3 /(異步存儲器片選選通)連接到此緩沖器的輸出使能引腳。此緩沖器的輸出執行“線與”處理，所產生的信號作為時鐘提供給SD卡。數據線也通過一個雙向緩沖器進行緩沖。

　　AMS3/驅動緩沖器的輸出使能引腳。要求對緩沖器進行隔離，以便其他異步存儲設備也能共享數據總線。D5驅動雙向緩沖器的DIR(方向控制)引腳。緩沖器兩端均需要上拉電阻。BF-54x等其他一些Blackfin產品提供片內SD支