實(shí)時(shí)音頻方案的演變與設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　二十年之前，當(dāng)有人想在個(gè)人計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)音頻應(yīng)用時(shí)，通常是通過(guò)觸發(fā)97號(hào)I/O端口的第一位產(chǎn)生一個(gè)方波脈沖，然后通過(guò)PC機(jī)內(nèi)置的一個(gè)很小的發(fā)聲器將聲音播放出來(lái)。10年前，談到PC機(jī)上的實(shí)時(shí)音頻時(shí)通常意味著購(gòu)買一塊PCI聲卡。然而在剛剛過(guò)去的這10年間，大多數(shù)從運(yùn)貨箱中取出的PC機(jī)都能直接使用主板內(nèi)置的音頻解決方案播放音頻，這些解決方案符合音頻編解碼器(AC)'97規(guī)范及其后續(xù)版本-Intel高清音頻(HDA)多聲道規(guī)范。

　　PC音頻向AC'97的過(guò)渡

　　AC'97規(guī)范是Intel在1997年提出的，該規(guī)范鼓勵(lì)主板制造商在其制造的主板上集成價(jià)格相對(duì)低廉的混合信號(hào)“編解碼器”芯片，這在PC音頻行業(yè)掀起了軒然大波。AC'97規(guī)范的數(shù)字控制器部分恰好位于I/O控制器中心(ICH)的“南橋”芯片中，而音頻處理和調(diào)制解調(diào)器所需的模數(shù)和數(shù)模功能則位于音頻編解碼器芯片中。AC'97最早的目標(biāo)是支持單聲道麥克風(fēng)輸入和雙聲道(立體聲)音頻I/O特性、16到20位分辨率和每通道48kHz采樣率。

　　然而，并非所有最終用戶都完全得到了滿足。這種方式實(shí)現(xiàn)的音頻品質(zhì)往往并不能達(dá)到高保真音樂(lè)迷和狂熱游戲玩家的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)閷?duì)于低噪聲的音頻信號(hào)而言，PC主板是一個(gè)本質(zhì)上很不友好的電氣環(huán)境。在主處理器負(fù)荷很重時(shí)，例如在運(yùn)行圖象處理量繁重的游戲或屏幕更新任務(wù)時(shí)，AC'97系統(tǒng)還可能會(huì)表現(xiàn)出令人討厭的音頻毛刺、喀嗒聲和音頻丟失。在我們想要享受帶杜比數(shù)字5.1聲道的DVD唱碟時(shí)，出現(xiàn)這樣的問(wèn)題可大大不妙。

　　多聲道音頻技術(shù)

　　Intel公司在2004年就公布了HDA標(biāo)準(zhǔn)(見圖1)，用以滿足最終用戶不斷提高的期望值。Intel的HDA繼承了AC'97采用主板聲音解決方案的傳統(tǒng)，但又專為支持家庭娛樂(lè)而額外添加了高性能的音頻功能。HDA規(guī)范支持八通道的192kHz/32bit音頻輸出。

　　圖1：Intel公司針對(duì)PC的高清音頻系統(tǒng)框圖。

　　HDA鏈路是用于連接HDA控制器(通常是ICH內(nèi)核邏輯芯片的一部分)和HDA編解碼芯片的五線數(shù)字串行接口。HDA鏈路采用了鎖定于HDA控制器提供的24MHz位時(shí)鐘(BCLK)的控制器同步比特流，所有音頻輸入和輸出數(shù)據(jù)流都與一個(gè)幀速率固定為48kHz的SYNC信號(hào)同步。

　　PC機(jī)中使用的典型HDA系統(tǒng)都能提供5到8個(gè)板載模擬音頻通道(即支持7.1聲道)，并可選擇48到192kHz/24bit模擬音頻輸出。一些HDA編解碼器芯片和主板還通過(guò)同軸連接器、光連接器或同時(shí)通過(guò)這兩種連接器提供S/PDIF數(shù)字音頻輸入/輸出。另外，音頻子系統(tǒng)的硬件和軟件層設(shè)計(jì)也更加成熟，從而降低了與音頻性能相關(guān)的毛刺和丟失出現(xiàn)的概率。

　　除了原來(lái)就支持的多聲道音頻功能外，現(xiàn)代PC音頻系統(tǒng)還必須提供多程序運(yùn)行功能用于并行回放。例如，一臺(tái)家庭娛樂(lè)電腦可能在用于廳內(nèi)播放多聲道環(huán)繞聲DVD電影的同時(shí)被廚房或書房中的另一個(gè)用戶用來(lái)播放互聯(lián)網(wǎng)視頻共享網(wǎng)站上的聲音信號(hào)。類似的，狂熱的網(wǎng)游愛好者可能會(huì)選擇通過(guò)音箱播放游戲的5.1音頻聲軌，同時(shí)又通過(guò)輕便的耳機(jī)在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行實(shí)時(shí)音頻聊天。

　　PC音頻子系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　顯然，音頻子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和編程人員所面臨的挑戰(zhàn)是如何確保多個(gè)并行音頻聲道各司其職、各盡其能，并使系統(tǒng)的設(shè)置、調(diào)試和維護(hù)更加容易。硬件設(shè)計(jì)師必須遵循完善的模擬設(shè)計(jì)規(guī)范，才能在苛刻的PC環(huán)境下保證信號(hào)完整性。

　　除了選擇音頻編解碼芯片之外，設(shè)計(jì)師還必須為模擬音頻連接器選擇合適的布線方式、放置位置和類型，并在需要S/PDIF連接器時(shí)選擇合適的數(shù)字I/O。

　　編解碼器制造商的版圖說(shuō)明中通常都建議從物理上分隔編解碼器芯片的數(shù)字接口部分(例如HDA鏈路和S/PDIF連接)與敏感的模擬音頻輸入/輸出管腳，以便盡可能減小高頻數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路的感性串?dāng)_。

　　同樣，選擇正確的輸入輸出音頻隔直電容也可能對(duì)電路的低頻性能產(chǎn)生很積極的影響。大多數(shù)編解碼器制造商都規(guī)定在音頻輸入端要采用等效串聯(lián)電阻和電感非常小的X5R電介類MLCC電容，并在輸出端使用容量相對(duì)較大的電解電容(10μF)。只要足夠細(xì)心，那么硬件設(shè)計(jì)師就能在PC環(huán)境中設(shè)計(jì)出真正高清音頻電路。

　　圖2：MPEG環(huán)繞聲。