中心議題：

• 音頻協議和標準解析
• 不同標準對應的係統接口
• 音頻放大器詳解

• S/PDIF標準
• I2S總線標準
• 采樣速率轉換器

過(guo)去(qu)幾(ji)年(nian)裏(li)，音(yin)頻(pin)技(ji)術(shu)取(qu)得(de)了(le)巨(ju)大(da)進(jin)步(bu)，特(te)別(bie)是(shi)在(zai)家(jia)庭(ting)影(ying)院(yuan)和(he)汽(qi)車(che)音(yin)響(xiang)市(shi)場(chang)。汽(qi)車(che)中(zhong)的(de)傳(chuan)統(tong)四(si)揚(yang)聲(sheng)器(qi)立(li)體(ti)聲(sheng)係(xi)統(tong)正(zheng)逐(zhu)漸(jian)被(bei)多(duo)聲(sheng)道(dao)多(duo)揚(yang)聲(sheng)器(qi)音(yin)頻(pin)係(xi)統(tong)所(suo)取(qu)代(dai)。在(zai)印(yin)度(du)
，帶(dai)雙(shuang)揚(yang)聲(sheng)器(qi)立(li)體(ti)聲(sheng)係(xi)統(tong)的(de)電(dian)視(shi)機(ji)現(xian)已(yi)被(bei)帶(dai)5.1多聲道的家庭影院係統所取代。

當dang今jin的de音yin頻pin設she計ji挑tiao戰zhan在zai於yu如ru何he模mo擬ni實shi際ji的de聲sheng音yin並bing通tong過guo各ge種zhong音yin頻pin設she備bei進jin行xing傳chuan送song。聲sheng音yin可ke以yi來lai自zi任ren何he方fang向xiang，實shi際ji上shang，我wo們men的de大da腦nao能neng夠gou計ji算suan並bing感gan知zhi聲sheng音yin的de來lai源yuan。例li如ru，當dang戰zhan鬥dou機ji從cong一yi點dian飛fei到dao另ling一yi點dian時shi，它ta所suo產chan生sheng的de聲sheng音yin實shi際ji上shang來lai自zi無wu數shu個ge位wei置zhi點dian。但dan是shi，我wo們men不bu可ke能neng用yong無wu數shu個ge揚yang聲sheng器qi來lai再zai現xian這zhe種zhong音yin頻pin體ti驗yan。

利用多聲道
、多揚聲器係統和先進的音頻算法，音頻係統能夠惟妙惟肖地模擬真實聲音。這些複雜的音頻係統使用ASIC或DSPlaijiemaduoshengdaobianmayinpin，bingqieyunxinggezhonghouchulisuanfa。shengdaoshuliangyueduo，yiweizhecunchuqihedaikuanyaoqiuyuegao，zhejiuxuyaoshiyongyinpinshujuyasuojishulaibianmabingjianshaosuoyaocunchudeshuju。zhexiejishuhainengyonglaibaochishengyinzhiliang。

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台的音頻係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，用於在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DVDbofangqichuanshudaoyinpinfangdaqishi
，huiyinruzaosheng
，gaizaoshenghennanlvchu。buguo，ruguoyongshuzilianludaitimonilianlulaichuanshuyinpinshuju，wentijiuhuiyingrenerjie。shujububizhuanhuanweimonixinhaojiunengzaibutongshebeizhijianchuanshu，zheshiS/PDIF的最大優勢。

該標準描述了一種串行、單向

、自備時鍾的接口，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，時鍾則嵌入數據中，在接收端予以恢複（見圖1）。此外，數據與極性無關，因此更易於處理。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接口規範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。用於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1S/PDIF雙相標記編碼流

S/PDIF協議——如(ru)上(shang)文(wen)所(suo)述(shu)，它(ta)是(shi)一(yi)種(zhong)單(dan)線(xian)串(chuan)行(xing)接(jie)口(kou)
，時(shi)鍾(zhong)嵌(qian)入(ru)數(shu)據(ju)之(zhi)中(zhong)。傳(chuan)輸(shu)的(de)數(shu)據(ju)采(cai)用(yong)雙(shuang)相(xiang)標(biao)記(ji)編(bian)碼(ma)。時(shi)鍾(zhong)和(he)幀(zhen)同(tong)步(bu)信(xin)號(hao)在(zai)接(jie)收(shou)器(qi)端(duan)與(yu)雙(shuang)相(xiang)解(jie)碼(ma)數(shu)據(ju)流(liu)一(yi)同(tong)恢(hui)複(fu)。數(shu)據(ju)流(liu)中(zhong)的(de)每(mei)個(ge)數(shu)據(ju)位(wei)都(dou)有(you)一(yi)個(ge)時(shi)隙(xi)。時(shi)隙(xi)以(yi)一(yi)個(ge)躍(yue)遷(qian)開(kai)始(shi)，並(bing)以(yi)一(yi)個(ge)躍(yue)遷(qian)結(jie)束(shu)。如(ru)果(guo)傳(chuan)輸(shu)的(de)數(shu)據(ju)位(wei)是(shi)“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
，後麵跟隨24位數據，最後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，用於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的脈衝，從而打破雙相編碼規則。這意味著
，該模式不可能存在於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（不同於塊的開始），前導碼“Y”表示通道“B”子幀的開始。


圖2S/PDIF子幀
、幀和塊格式
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I2S總線——在當今的音頻係統中，數字音頻數據在係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總線規範現已被許多IC廠商采用
，它是一種簡單的三線同步協議

，包括如下信號：串行位時鍾(SCK)
、左右時鍾或字選擇(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。發送器以二進製發送數據
，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)——這是音頻係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）。它主要用於將數據從一個采用特定采樣速率的時鍾域轉換到另一個采用相同或不同采樣速率的時鍾域。


圖3采樣速率轉換過程的四個不同階段

音yin頻pin可ke以yi采cai用yong不bu同tong采cai樣yang速su率lv進jin行xing編bian碼ma，其qi他ta任ren務wu由you編bian解jie碼ma器qi完wan成cheng。某mou些xie情qing況kuang下xia需xu要yao改gai變bian編bian解jie碼ma器qi的de主zhu時shi鍾zhong，以yi支zhi持chi特te定ding采cai樣yang速su率lv。從cong采cai用yong某mou一yi采cai樣yang速su率lv的de音yin頻pin轉zhuan換huan為wei采cai用yong不bu同tong采cai樣yang速su率lv的de音yin頻pin時shi，即ji時shi改gai變bian主zhu時shi鍾zhong並bing不bu是shi一yi件jian容rong易yi的de事shi
，有you時shi甚shen至zhi不bu可ke能neng完wan成cheng，因yin為wei需xu要yao更geng改gai電dian路lu板ban上shang的de硬ying件jian。因yin此ci，采cai樣yang速su率lv轉zhuan換huan一yi般ban在zai將jiang數shu據ju驅qu動dong到dao編bian解jie碼ma器qi之zhi前qian執zhi行xing。這zhe樣yang
，編bian解jie碼ma器qi的de采cai樣yang速su率lv不bu需xu要yao改gai變bian，可ke以yi保bao持chi恒heng定ding。串chuan行xing端duan口kou以yi采cai樣yang頻pin率lv1發送音頻數據到另一端的SRC和編解碼器，然後以采樣頻率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，並以Fsout的輸出采樣頻率進行異步采樣。
音頻係統

大多數手持式音頻設備支持雙聲道，並能解碼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”，也屬於此類設備。另一方麵，家庭影院係統支持多揚聲器、多聲道音頻
，例如
，Dolby、DTS和各種其他音頻後處理算法（THX
、ART
、Neo6等）。

便攜式音頻係統——有些手持式音頻係統采用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的主要係統接口。SD和MMC還支持串行SPI模式，DSP和各種微控製器/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
，如並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。對於運行操作係統(OS)或內核的係統，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手持式音頻係統框圖

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SD2.0規範。數據總線不僅用於數據傳輸
，而且用於與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用於與SD卡進行命令和響應通信。由於命令字必須通過CMD信號串行發送，因此一係列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卡時鍾信號自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衝器的輸入端。AMS3/（異步存儲器片選選通）連接到此緩衝器的輸出使能引腳。此緩衝器的輸出執行“線與”處理

，所產生的信號作為時鍾提供給SD卡。數據線也通過一個雙向緩衝器進行緩衝。

AMS3/驅動緩衝器的輸出使能引腳。要求對緩衝器進行隔離
，以便其他異步存儲設備也能共享數據總線。D5驅動雙向緩衝器的DIR（方向控製）引腳。緩衝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支持。



圖5BlackfinBF-527處理器異步存儲器接口和並行外設接口上的SD設計
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文件係統——需要實現FAT16/32來管理存儲卡上的音頻文件和文件夾。這些代碼與音頻解碼器代碼集成。解碼後的音頻數據接著被送至數模轉換器(DAC)

，經過放大後再被送至音頻立體聲連接器。與DAC相連的接口通常是串行I2S接口。DAC配置通過串行外設接口(SPI)或I2C兼容外設來完成。運行時，可以通過此控製接口改變各種DAC參數，如采樣率、增益/音量控製等。

處理器或FPGA從SPI引導ROM/閃存器件進行引導加載。應用程序下載至其內部存儲器後執行。處理器利用其內部SRAM為IO數據緩衝器存儲編碼音頻幀（從存儲介質讀取）和解碼音頻數據（驅動至DAC）。

AVR/家庭影院係統——家庭影院音樂係統通常是多聲道音頻係統（見圖6）。Dolby5.1和DTS5.1是主流多聲道音頻係統。DVD播放器通過光纖或同軸電纜S/PDIF接口發送編碼音頻數據流。係統利用S/PDIF接收器芯片解碼雙相標記編碼數據

，並提供與處理器相連的串行幀接口。S/PDIF接收芯片通常向處理器提供I2S格式的數據流。某些處理器片內集成S/PDIF接收器
，無須使用外部接收器芯片。處理器運行自動檢測算法來確定數據流類型，如Dolby、DTS或非編碼PCM音頻流等。
 

圖6多聲道音頻係統框圖

此算法在後台持續運行。自動檢測流程基於IEC61937非線性PCMbianmabiteliuguojibiaozhun。tiaoyongzhusuanfa，bingjiangzhuyinpinjiemaqisuanfasuoxudegezhongcanshuzhengquechuandigeihanshu。jiemahoudeyinpinshujubeifuzhidaoyifenpeideshuchuhuanchongqizhong。chuanxingduankouyongyujiangcijiemayinpinshujuyiI2S格式驅動至DAC
，然後將模擬信號饋送至功率放大器
，最後再饋送至揚聲器。
音頻算法

音頻算法可以分為兩類：主解碼器算法和後處理算法。主解碼器算法包括Dolby、DTS5.1、DTS6.1
、DTS96/24、AAC等。後解碼或後處理算法包括DolbyProLogic、DolbyProLogicII
、DTSNeo6、SurroundEX、Dolby耳機
、Dolby虛擬揚聲器、THX
、原始環繞聲、DynamicEQ、Delay等。必須使用高性能信號處理器，而且能執行房間均衡等額外功能。

音頻放大器

放大器可以分為如下幾類：A類、B類
、AB類和Clei。fangdaqideleibiejibenshangyoujingtiguanfangdaqidegongzuodianhuojingtaidianjueding。cidianweiyugongfashejipeizhizhongjingtiguanshuchutexingdezhiliufuzaixianshang。jingtaidianbiaoshixiangduiyutedingjijidianliu“IB”的特定集電極電流“IC”。基極電流“IB”取決於晶體管的偏置，集電極電流“IC”是直流電流增益“hfe”與基極電流“IB”的乘積。A類lei放fang大da器qi的de靜jing態tai點dian幾ji乎hu位wei於yu負fu載zai線xian有you效xiao區qu間jian的de中zhong點dian，對dui於yu任ren何he給gei定ding的de輸shu入ru信xin號hao變bian化hua
，晶jing體ti管guan總zong是shi在zai有you效xiao區qu間jian工gong作zuo，忠zhong實shi放fang大da輸shu入ru信xin號hao，而er不bu會hui引yin起qi任ren何he中zhong斷duan或huo失shi真zhen。此ci類lei放fang大da器qi用yong於yu小xiao信xin號hao放fang大da，然ran後hou該gai信xin號hao即ji可ke驅qu動dong功gong率lv放fang大da器qi。由you於yu晶jing體ti管guan始shi終zhong導dao通tong
，因yin此ci會hui消xiao耗hao大da量liang功gong率lv
，功gong率lv效xiao率lv較jiao低di。這zhe使shi得deA類lei放fang大da器qi不bu適shi合he用yong作zuo功gong率lv放fang大da器qi。為wei了le提ti高gao效xiao率lv，晶jing體ti管guan必bi須xu關guan閉bi一yi定ding的de時shi間jian

，為wei此ci需xu要yao降jiang低di直zhi流liu負fu載zai線xian上shang的de靜jing態tai點dian，使shi它ta偏pian向xiang截jie止zhi區qu間jian。這zhe樣yang就jiu得de到dao其qi他ta類lei型xing的de放fang大da器qi，如ruB類、AB類和C類。采用推挽配置的B類放大器是首選功率放大器。它以推挽方式使用兩個晶體管，各晶體管導通180°。

但在交越時
，存在一個二者均不導通的區間，這會導致交越失真。C類放大器的功率效率可以達到80%
，但由於晶體管的導通比例不足輸入信號的50%，因此輸出失真較高。在有效區間使用晶體管還要求利用散熱器來保護晶體管
，而這正是D類放大器技術優於其他類型的地方。

圖7為一個D類放大器係統。有時將這種放大器稱為數字放大器
，但事實並非如此。其工作原理仍然與其他類型放大器相同，但D類放大器的輸入信號為PWM（脈衝寬度調製）xinhao。youyushuzishuruzailuojigaodianpingheluojididianpingzhijianlaihuiqiehuan
，yincijingtiguangongzuozaibaohequjianhuojiezhiqujian，danjuebuhuigongzuozaiyouxiaoqujian
，yincigonghaoshizhongzuidi。zheshidegonglvxiaolvdafutigao，dantongshiyehuiyinqijiaogaodezongxieboshizhen(THD)。


圖7模擬域中的D類放大器係統框圖

為了解調PWM並重建原始模擬波形，需要使用由LC（電感+電容）構成的高質量低通濾波器。由於大多數音頻係統使用DSP，因此D類放大器對音頻係統設計很有利。音頻信號可以由DSP本身調製為PWM
，然後直接饋送至D類放大器的輸入端，而無須使用音頻DAC或編解碼器。因此，除了提高放大器功率效率以外
，它還能通過消除編解碼器/DAC來降低係統成本。對於D類放大器設計而言，低通重建濾波器是確保良好THD指標的最重要因素。

音頻係統設計近年來發展迅猛

，特別是在家庭娛樂和汽車音響領域。各種標準

、編碼技術和強大的處理器已使得多聲道高清音頻成為現實。音頻係統設計人員仍在攻克各種難題
，例如，保持高功率效率、實現更低的THD和再現高質量聲音等。