嵌入式系統(tǒng)中的IIS音頻接口技術(shù)的研究

?、?、⑤處由功放決定，最大也是O dB，便攜式功放通常是電流型，靠放大電流去推動揚聲器。

　?、?②+③三處的增益和超過O dB時，1 kHz的信號就會產(chǎn)生失真，但是大部分音樂的強度都小于1 kHz測試方波時的強度，所以這三項的和可以比O dB略大，但不能太大，否則會引起信號失真。

　　a．應(yīng)用程序通過調(diào)用waveOutSetVolume，與手工在控制面板中調(diào)節(jié)音量等效。

　　b．調(diào)節(jié)MediaPlay播放器音量時，通過消息跟蹤可以判斷是否改變了①處的增益，即ARM的DSP數(shù)字輸出增益。

　　c．調(diào)節(jié)控制面板里的音量時，會發(fā)現(xiàn)CODEC的功放寄存器值也會改變。猜想是通過IIS總線實現(xiàn)控制相關(guān)寄存器，因為在IoControl消息中沒有發(fā)現(xiàn)通過I2C改寫任何寄存器。

　　通過分析調(diào)整音量的方法，有圖2所示的5個節(jié)點可控制，目的是音量最大失真最?。鹤將偬庉敵鲈鲆孀畲蟮那闆r下，②處PCM Volume置為0 dB(此處放大最容易引入失真)，功放置最大時便能獲得不失真最大音量了；如果想再增大音量只能犧牲失真度了，人耳最多接收10％THD(Total Hamonic Distortion，總諧波失真)，此種情況下主要靠調(diào)節(jié)③處的增益。

　　3 提高音量的有效方法

　?、僭贑0DEC與功放不可更改的前提下，選擇合適的喇叭至關(guān)重要(不同的喇叭效果大不一樣)?？趶酱笮〔坏?，紙盆有深有淺。在選擇喇叭時一般要求功放的額定功率是喇叭額定功率的2倍以上，喇叭的實際最大承受功率是其額定輸出功率的2～3倍。喇叭的靈敏度參數(shù)很重要，一般是O．1 W時85 dB左右，還要看額定功率時的靈敏度。靈敏度用來衡量將電能轉(zhuǎn)換為聲音的效率，只講額定功率不講額定功率時的靈敏度是沒有意義的，額定功率下的低靈敏度無益于電阻絲“發(fā)熱不出聲”。

　　②提高功放電壓，根據(jù)P=U·U／R，很小的提升電壓，就能獲得平方級的功率提升。如由4 V→6V，功率可提高2．25倍。

　?、鄹纳埔羟辉O(shè)計。

　?、茉瓌t上不建議以犧牲保真度來換取音量。如不得已而為之，使用時也要嚴(yán)格控制在THD10％。

　　3．1 功放與揚聲器的匹配和選擇

　　功放的輸出功率一定要大于喇叭的輸出功率，否則不但會影響聲音效果，而且會加速功放的損壞。如選擇的喇叭阻抗比功放的輸出阻抗高時，將影響放大器的輸出功率；而當(dāng)喇叭的阻抗過低時(如低于4Ω)，使用的功率放大器與額定的輸出功率又不相匹配，這種情況下失真將增大。如果喇叭的阻抗符合要求，額定功率又比功放的額定功率稍小，失真就相對小，喇叭的聲音質(zhì)量就好。

　　揚聲器的選擇：

　?、倏趶酱?，紙盆深，轉(zhuǎn)換效率就高，承受功率也越大；口徑小，紙盆過淺，高頻響應(yīng)就不好。

　?、谟檬州p按同樣口徑的紙盆時，比較費力的揚聲器諧振頻率高，動態(tài)范圍較大。

　　③堅硬、密實紙盆的揚聲器，高頻性能一般較好；粗疏、柔軟紙盆的揚聲器，音質(zhì)一般較柔和。

　?、芊糯笃鲬?yīng)該有足夠的功率輸出，尤其是晶體管放大器。揚聲器的最大輸出功率應(yīng)該是其額定功率的3倍以上，并且揚聲器的最大輸入功率應(yīng)該等于放大器的輸出功率，以保護揚聲器的安全。

　?、葑杩蛊ヅ涫亲罨镜囊螅簩τ贑lass D類功效，由于PWM易引起高頻干擾，因此還要考慮合適的感抗，以起到濾波作用。如圖3所示，線圈的阻抗和感抗組成了一個低通濾波器，理想情況下將阻隔PWM產(chǎn)生的高頻諧波干擾。這里選擇增益為一3 dB時的頻率作為高頻的截止點fc=RL／2πL。當(dāng)阻抗為8Ω時，令截止頻率為20kHz，則有L=RL／2πfc=8Ω／(2π×20 kHz)=64μH。8 Ω的便攜式揚聲器感抗為20～100μH。如果實際感抗>64μH，將限制帶通特性；如果實際感抗64μH，截止頻率會>20 Hz，此時又會引入噪聲。所以，選擇揚聲器時感抗要盡量接近64μH；對于AB類功放，則不作嚴(yán)格要求。

　　3．2 音腔設(shè)計

　　好的音腔，同樣的功率下，音量會更大。

　　①音腔內(nèi)要平，不要有高低不平的落差感。

　?、诔鲆艨资且羟幻娣e的15％～20％(手機中常用的)。

　?、垡羟灰M量深，形成“V”型出音，效果較好。

　　④前后音腔要隔開，以免前后聲音互相干擾。這個原理和喇叭放出的聲音比起喇叭裝在箱子里面的聲音要小很多的原因一致。

　?、萸耙羟唬簱P聲器前面音腔的大小主要由揚聲器上面的泡棉高度所決定，一般來說至少要留O．2 mm的泡棉。前音腔主要對高頻聲音有所影響，對于SPL(SoundPressure Level，聲壓級)影響不是太大。

　　⑥后音腔：要足夠大，如果能夠達到手機喇叭的等效聲容積的2倍的水平最好；更大的后音腔使得揚聲器在低頻可以得到更好的效果。

　?、咔耙羟缓统鲆艨滓O(shè)計合理、恰當(dāng)：前音腔和出聲孔形成一個Helmholtz共鳴器，會在某個頻率點出現(xiàn)諧振峰。若不是特殊設(shè)計，可以把該諧振峰調(diào)整到高頻端(>10 kHz)，相應(yīng)地就要求前腔淺，出音孔面積大；若有特殊設(shè)計要求，譬如為了提高響度，可以把諧振峰調(diào)整到3．4～6 kHz，不過帶來的結(jié)果將是聲音偏單調(diào)，而且對音源的要求會苛刻。

　　⑧密封性：最基本的是要讓揚聲器的前音腔和后音腔分開，保證良好的密封性(盡可能地保證手機音腔的密封性)。良好的密封性使得揚聲器在低頻段可以得到更好的效果(可以得到更大、更柔美的聲音)。

　　4 音效測試

　　由于人耳對音頻發(fā)聲的感官不盡相同，且主觀差異較大，曾想寫一篇文章，專門介紹音效的評測及控制方法，需控要什么樣的儀器，實驗方案如何。但由于實驗條件和本人能力有限，加上專業(yè)性很強，不敢寫也怕寫不好，只好作罷。以下是Wolfson Microelectronics plc Jason Fan所列(僅供參考)，同時期待這類文章早日出現(xiàn)。

　　①基本儀器：穩(wěn)壓電源、內(nèi)置濾波器的毫伏表(可以測量輸出的噪聲和輸出的功率)、失真儀、聲壓儀、信號發(fā)生器。

　?、诟呒墐x器：AP音頻分析儀、音頻全頻掃描儀(用來測試揚聲器功率)。

　?、垡纛l系統(tǒng)的評估指標(biāo)有基本指標(biāo)和升級指標(biāo)。

　　基本指標(biāo)有：輸出功率、信噪比、頻率響應(yīng)、失真度、左右通道分離度、左右聲道平衡度。

　　升級指標(biāo)(需使用音頻分析儀測量)有：THD+N、動態(tài)范圍、FFT。

　　作音頻測試時，一般會使用一些標(biāo)準(zhǔn)的測試信號，如左右聲道1 kHz O dB；左右聲道30 Hz O dB；左右聲道100Hz 0 dB；左右聲道10 kHz 0 dB；左右聲道16 kHz O dB；左聲道l kHz O dB；右聲道1 kHz 0 dB。

　　上述儀器都會附帶使用方法和實驗方案。

　　5 總 結(jié)

　　面對音視頻驅(qū)動，首先不要有畏懼心理而覺得其高深莫測不敢去接觸。掌握基礎(chǔ)原理和上述要點后，一般的IIS音頻CODEC均能驅(qū)動。在本人驅(qū)動WMXXX系列(WM9712／WM8978／WM8960／WM8731)、UDAl314、PCMl770、UCBl440、CS4344等芯片的過程中，均得到了有效驗證。

　　在應(yīng)用CS42L52時，發(fā)現(xiàn)背景噪聲明顯，但耳機音質(zhì)很好，說明噪聲來自于功放；一上電不做任何初始化照樣有，進一步說明來自功放，而且不隨音量改變而改變。不能正面降噪，后來采取的規(guī)避措施是：沒有DMA傳輸時關(guān)掉聲音通道，此問題后來通過新老電路板對比，查出是揚聲器的輸出端所接LC回路中電感參數(shù)不當(dāng)產(chǎn)生了自激。把電感換成O Ω電阻后，噪聲基本消除。

　　在ARM中，晶振以12 MHz和16．934 4 MHz最為常見(視頻系統(tǒng)中也有27 MHz或28．XXX MHz)，系統(tǒng)外圍總線是50 MHz，能不能配成精準(zhǔn)的44．1 kHz或48kHz，要視各芯片自身的PLL了，這一點要格外重視。如果頻率相差太多，也會引入噪聲且有語速不正?，F(xiàn)象。

　　選型建議：

　?、龠x型時，一定要貼在自己的電路板上實測，不能僅憑供應(yīng)商的DEMO板演示。

　?、诒尘霸肼曈袥]有，在正版歌曲的前5 s空白時間基本上可以聽出來。

　?、垡纯葱酒欠褚蚜慨a(chǎn)且是不是已被人采用，口碑是參考的重要因素。

　　WM9712l帶有四線電阻Touch接口，在MP4視頻播放器方案中應(yīng)用較為普遍。WM897x在手機中或智能手機采用得比較多；在MP3或是低成本方案中，PCMl770占不少份額；歐勝(Wolfson)推出的WM897x系統(tǒng)IIS音頻協(xié)議不但提高了系統(tǒng)的集成度，也提高了系統(tǒng)的音頻質(zhì)量；WM897x以DSP微處理器為內(nèi)核，可將風(fēng)聲等過濾來提高音頻系統(tǒng)的錄音功能，新產(chǎn)品還采用了5波段與3D音頻系統(tǒng)的均衡來提高音頻輸出以及可編程阻態(tài)濾波器消除噪聲。這些系統(tǒng)通常也支持時鐘頻率在12～19MHz的麥克風(fēng)及手機喇叭的驅(qū)動部分，可進一步減少產(chǎn)品中元器件的數(shù)量。為使高質(zhì)量音頻喇叭以及壓電型喇叭的功耗可以達到900 mW，使用了數(shù)字式錄音回放限制器，以防止喇叭的過量輸出。