音頻系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議探討

　　圖5 Blackfin BF-527處理器異步存儲器接口和并行外設(shè)接口上的SD設(shè)計(jì)

　　文件系統(tǒng)——需要實(shí)現(xiàn)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。解碼后的音頻數(shù)據(jù)接著被送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，經(jīng)過放大后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(shè)接口(SPI)或I2C兼容外設(shè)來完成。運(yùn)行時，可以通過此控制接口改變各種DAC參數(shù)，如采樣率、增益/音量控制等。

　　處理器或FPGA從SPI引導(dǎo)ROM/閃存器件進(jìn)行引導(dǎo)加載。應(yīng)用程序下載至其內(nèi)部存儲器后執(zhí)行。處理器利用其內(nèi)部SRAM為IO數(shù)據(jù)緩沖器存儲編碼音頻幀(從存儲介質(zhì)讀取)和解碼音頻數(shù)據(jù)(驅(qū)動至DAC)。

　　AVR/家庭影院系統(tǒng)——家庭影院音樂系統(tǒng)通常是多聲道音頻系統(tǒng)(見圖6)。Dolby 5.1和DTS 5.1是主流多聲道音頻系統(tǒng)。DVD播放器通過光纖或同軸電纜S/PDIF接口發(fā)送編碼音頻數(shù)據(jù)流。系統(tǒng)利用S/PDIF接收器芯片解碼雙相標(biāo)記編碼數(shù)據(jù)，并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(shù)據(jù)流。某些處理器片內(nèi)集成S/PDIF接收器，無須使用外部接收器芯片。處理器運(yùn)行自動檢測算法來確定數(shù)據(jù)流類型，如Dolby、DTS或非編碼PCM音頻流等。

　　圖6 多聲道音頻系統(tǒng)框圖

　　此算法在后臺持續(xù)運(yùn)行。自動檢測流程基于IEC61937非線性PCM編碼比特流國際標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)用主算法，并將主音頻解碼器算法所需的各種參數(shù)正確傳遞給函數(shù)。解碼后的音頻數(shù)據(jù)被復(fù)制到已分配的輸出緩沖器中。串行端口用于將此解碼音頻數(shù)據(jù)以I2S格式驅(qū)動至DAC，然后將模擬信號饋送至功率放大器，最后再饋送至揚(yáng)聲器。

　　音頻算法

　　音頻算法可以分為兩類：主解碼器算法和后處理算法。主解碼器算法包括Dolby、DTS 5.1、DTS 6.1、DTS96/24、AAC等。后解碼或后處理算法包括Dolby ProLogic、Dolby ProLogic II、DTS Neo6、Surround EX、Dolby耳機(jī)、Dolby虛擬揚(yáng)聲器、THX、原始環(huán)繞聲、Dynamic EQ、Delay等。必須使用高性能信號處理器，而且能執(zhí)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C類。放大器的類別基本上由晶體管放大器的工作點(diǎn)或靜態(tài)點(diǎn)決定。此點(diǎn)位于共發(fā)射極配置中晶體管輸出特性的直流負(fù)載線上。靜態(tài)點(diǎn)表示相對于特定基極電流“IB”的特定集電極電流“IC”?；鶚O電流“IB”取決于晶體管的偏置，集電極電流 “IC”是直流電流增益“hfe”與基極電流“IB”的乘積。A類放大器的靜態(tài)點(diǎn)幾乎位于負(fù)載線有效區(qū)間的中點(diǎn)，對于任何給定的輸入信號變化，晶體管總是在有效區(qū)間工作，忠實(shí)放大輸入信號，而不會引起任何中斷或失真。此類放大器用于小信號放大，然后該信號即可驅(qū)動功率放大器。由于晶體管始終導(dǎo)通，因此會消耗大量功率，功率效率較低。這使得A類放大器不適合用作功率放大器。為了提高效率，晶體管必須關(guān)閉一定的時間，為此需要降低直流負(fù)載線上的靜態(tài)點(diǎn)，使它偏向截止區(qū)間。這樣就得到其他類型的放大器，如B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(dǎo)通 180°。

　　但在交越時，存在一個二者均不導(dǎo)通的區(qū)間，這會導(dǎo)致交越失真。C類放大器的功率效率可以達(dá)到80%，但由于晶體管的導(dǎo)通比例不足輸入信號的50%，因此輸出失真較高。在有效區(qū)間使用晶體管還要求利用散熱器來保護(hù)晶體管，而這正是D類放大器技術(shù)優(yōu)于其他類型的地方。

　　圖7為一個D類放大器系統(tǒng)。有時將這種放大器稱為數(shù)字放大器，但事實(shí)并非如此。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(脈沖寬度調(diào)制)信號。由于數(shù)字輸入在邏輯高電平和邏輯低電平之間來回切換，因此晶體管工作在飽和區(qū)間或截止區(qū)間，但決不會工作在有效區(qū)間，因此功耗始終最低。這使得功率效率大幅提高，但同時也會引起較高的總諧波失真(THD)。

　　圖7 模擬域中的D類放大器系統(tǒng)框圖

　　為了解調(diào)PWM并重建原始模擬波形，需要使用由LC(電感+電容)構(gòu)成的高質(zhì)量低通濾波器。由于大多數(shù)音頻系統(tǒng)使用DSP，因此D類放大器對音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)很有利。音頻信號可以由DSP本身調(diào)制為PWM，然后直接饋送至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來降低系統(tǒng)成本。對于D類放大器設(shè)計(jì)而言，低通重建濾波器是確保良好THD指標(biāo)的最重要因素。

　　結(jié)語

　　音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)近年來發(fā)展迅猛，特別是在家庭娛樂和汽車音響領(lǐng)域。各種標(biāo)準(zhǔn)、編碼技術(shù)和強(qiáng)大的處理器已使得多聲道高清音頻成為現(xiàn)實(shí)。音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員仍在攻克各種難題，例如，保持高功率效率、實(shí)現(xiàn)更低的THD和再現(xiàn)高質(zhì)量聲音等。