掌握音頻協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)

過(guò)去幾年里，音頻技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，特別是在家庭影院和汽車音響市場(chǎng)。汽車中的傳統(tǒng)四揚(yáng)聲器立體聲系統(tǒng)正逐漸被多聲道多揚(yáng)聲器音頻系統(tǒng)所取代。在印度，帶雙揚(yáng)聲器立體聲系統(tǒng)的電視機(jī)現(xiàn)已被帶5.1多聲道的家庭影院系統(tǒng)所取代。

當(dāng)今的音頻設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)在于如何模擬實(shí)際的聲音并通過(guò)各種音頻設(shè)備進(jìn)行傳送。聲音可以來(lái)自任何方向，實(shí)際上，我們的大腦能夠計(jì)算并感知聲音的來(lái)源。例如，當(dāng)戰(zhàn)斗機(jī)從一點(diǎn)飛到另一點(diǎn)時(shí)，它所產(chǎn)生的聲音實(shí)際上來(lái)自無(wú)數(shù)個(gè)位置點(diǎn)。但是，我們不可能用無(wú)數(shù)個(gè)揚(yáng)聲器來(lái)再現(xiàn)這種音頻體驗(yàn)。

利用多聲道、多揚(yáng)聲器系統(tǒng)和先進(jìn)的音頻算法，音頻系統(tǒng)能夠惟妙惟肖地模擬真實(shí)聲音。這些復(fù)雜的音頻系統(tǒng)使用ASIC或DSP來(lái)解碼多聲道編碼音頻，并且運(yùn)行各種后處理算法。聲道數(shù)量越多，意味著存儲(chǔ)器和帶寬要求越高，這就需要使用音頻數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來(lái)編碼并減少所要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。這些技術(shù)還能用來(lái)保持聲音質(zhì)量。

與數(shù)字音頻一同發(fā)展的還有音頻標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，其目的是簡(jiǎn)化不同設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸，例如，音頻播放器與揚(yáng)聲器之間、DVD播放器與AVR之間，而不必將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。

本文將討論與音頻行業(yè)相關(guān)的各種標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，同時(shí)也會(huì)探究不同平臺(tái)的音頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及各種音頻算法和放大器。

標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議
S/PDIF標(biāo)準(zhǔn)——該標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備之間傳輸數(shù)字音頻數(shù)據(jù)。當(dāng)通過(guò)模擬鏈路將音頻從DVD播放器傳輸?shù)揭纛l放大器時(shí)，會(huì)引入噪聲，該噪聲很難濾除。不過(guò)，如果用數(shù)字鏈路代替模擬鏈路來(lái)傳輸音頻數(shù)據(jù)，問(wèn)題就會(huì)迎刃而解。數(shù)據(jù)不必轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)就能在不同設(shè)備之間傳輸，這是S/PDIF的最大優(yōu)勢(shì)。

該標(biāo)準(zhǔn)描述了一種串行、單向、自備時(shí)鐘的接口，可互連那些采用線性PCM編碼音頻采樣的消費(fèi)和專業(yè)應(yīng)用數(shù)字音頻設(shè)備。它是一種單線、單信號(hào)接口，利用雙相標(biāo)記編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，時(shí)鐘則嵌入數(shù)據(jù)中，在接收端予以恢復(fù)（見(jiàn)圖1）。此外，數(shù)據(jù)與極性無(wú)關(guān)，因此更易于處理。S/PDIF是從專業(yè)音頻所用的AES/EBU標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來(lái)。二者在協(xié)議層上一致，但從XLR到電氣RCA插孔或光學(xué)TOSLINK的物理連接器發(fā)生了改變。本質(zhì)上，S/PDIF是AES/EBU格式的消費(fèi)型版本。S/PDIF接口規(guī)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(shè)備間數(shù)據(jù)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(biāo)記編碼流

S/PDIF協(xié)議——如上文所述，它是一種單線串行接口，時(shí)鐘嵌入數(shù)據(jù)之中。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用雙相標(biāo)記編碼。時(shí)鐘和幀同步信號(hào)在接收器端與雙相解碼數(shù)據(jù)流一同恢復(fù)。數(shù)據(jù)流中的每個(gè)數(shù)據(jù)位都有一個(gè)時(shí)隙。時(shí)隙以一個(gè)躍遷開(kāi)始，并以一個(gè)躍遷結(jié)束。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位是“1”，則時(shí)隙中間還會(huì)增加一個(gè)躍遷。數(shù)據(jù)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(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的最低有效位。每個(gè)幀有兩個(gè)子幀，分別是32個(gè)時(shí)隙，共64個(gè)時(shí)隙（見(jiàn)圖2）。子幀以一個(gè)前導(dǎo)碼開(kāi)始，后面跟隨24位數(shù)據(jù)，最后以攜帶用戶數(shù)據(jù)和通道狀態(tài)等信息的4位結(jié)束。子幀的前4個(gè)時(shí)隙稱為前導(dǎo)碼，用于指示子幀和塊的開(kāi)始。前導(dǎo)碼有三個(gè)，每一前導(dǎo)碼均包含一個(gè)或兩個(gè)持續(xù)時(shí)間為3UI的脈沖，從而打破雙相編碼規(guī)則。這意味著，該模式不可能存在于數(shù)據(jù)流中的其他地方。每個(gè)子幀都以4位前導(dǎo)碼開(kāi)始。塊的開(kāi)始用前導(dǎo)碼“Z”和子幀通道的開(kāi)始“A”表示。前導(dǎo)碼“X”表示通道“A”子幀的開(kāi)始（不同于塊的開(kāi)始），前導(dǎo)碼“Y”表示通道“B”子幀的開(kāi)始。

圖2 S/PDIF子幀、幀和塊格式

I2S總線——在當(dāng)今的音頻系統(tǒng)中，數(shù)字音頻數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部的各種器件之間傳輸，例如編解碼器、DSP、數(shù)字IO接口、ADC、DAC和數(shù)字濾波器之間。因此，為了增強(qiáng)靈活性，必須有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和通信結(jié)構(gòu)。專為數(shù)字音頻而開(kāi)發(fā)的I2S總線規(guī)范現(xiàn)已被許多IC廠商采用，它是一種簡(jiǎn)單的三線同步協(xié)議，包括如下信號(hào)：串行位時(shí)鐘(SCK)、左右時(shí)鐘或字選擇(WS)以及串行數(shù)據(jù)。WS線表示正在進(jìn)行傳輸?shù)穆暤?。?dāng)WS為邏輯高(HI)電平時(shí)，右聲道進(jìn)行傳輸；當(dāng)WS為邏輯低(LO)電平時(shí)，左聲道進(jìn)行傳輸。發(fā)送器以二進(jìn)制發(fā)送數(shù)據(jù)，首先補(bǔ)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。