嵌入式音頻處理基礎(chǔ)(一)

　　音頻DAC
　　傳統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換方法有加權(quán)電阻器、R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)和零點(diǎn)交叉失真等。正如A/D中的情況那樣，Σ-Δ設(shè)計(jì)統(tǒng)治了D/A轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域。這些轉(zhuǎn)換器可以接受16位44.1kHz的信號，然后使用插值濾波器把它轉(zhuǎn)換為2.8224MHz的1位樣點(diǎn)流。然后用1位的DAC把這些超級采樣的樣點(diǎn)流轉(zhuǎn)換成模擬信號。

　　一個典型的嵌入式數(shù)字音頻系統(tǒng)可以使用一個Σ-Δ音頻ADC和一個Σ-Δ DAC，因此，在PCM信號和過采樣流之間的轉(zhuǎn)換要進(jìn)行兩次。由于這個原因，Sony與Philips (NXP半導(dǎo)體)已經(jīng)在它們的Super Audio CD(SACD)格式中引入了一種與PCM不同的格式，被稱為直接流數(shù)字(DSD)。這種格式用1位的高頻(2.8224MHz) Σ-Δ流來存儲數(shù)據(jù)，因而繞過了PCM轉(zhuǎn)換。它的缺點(diǎn)是，DSD流不像PCM那樣直觀，而且需要一套獨(dú)立的數(shù)字音頻算法。

　　連接至音頻轉(zhuǎn)換器：一個ADC的例子
　　好了，我們有了足夠的背景知識?，F(xiàn)在讓我們看一下實(shí)際的轉(zhuǎn)換器連接的例子。對于低成本音頻ADC的很好的選擇是ADI公司的AD1871，它使用Σ-Δ技術(shù)以96kHz的速率進(jìn)行24位的轉(zhuǎn)換。圖3a示出了AD1871的功能框圖。這個轉(zhuǎn)換器有左(VINLx)和右(VINRx)兩個輸入聲道，這其實(shí)就是能夠處理立體聲數(shù)據(jù)的另外一種說法。數(shù)字化的音頻數(shù)據(jù)是通過數(shù)據(jù)端口串行流出的，通常流到信號處理器的一個相應(yīng)的串行端口(如Blackfin處理器上的SPORT接口)。另外還有一個SPI(串行外圍接口)端口，利用該端口，主處理器可對AD1871通過軟件命令進(jìn)行配置。這些命令包括設(shè)置采樣率、字長、聲道增益和靜音等的方法，還有其他一些參數(shù)的設(shè)定。

圖3 (a)AD1871音頻ADC的功能框圖 
(b) 一個ADSP-BF533媒體處理器與AD1871的無縫連接

　　正如圖3b中的框圖所指出的，AD1871 ADC與Blackfin處理器可無縫連接。電路的模擬部分被簡化了，因?yàn)樵谶@個討論中只有數(shù)字信號才是重要的。AD1871的過采樣率由外部晶振提供。圖中的處理器有2個串行端口(SPORT)和一個SPI端口，用于連接AD1871。被配置成I2S模式的SPORT是與AD1871進(jìn)行數(shù)據(jù)連接的端口，而SPI端口用作控制連接。

　　I2S協(xié)議是由Philips(NXP半導(dǎo)體)為音頻信號的數(shù)字傳輸而開發(fā)的一個標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)使音頻設(shè)備制造商所生產(chǎn)的器件可以相互兼容。

　　確切地說，I2S是一種用于傳輸立體聲數(shù)據(jù)的3線串行接口。正如圖4a中所示，它規(guī)定了位時鐘(中)、數(shù)據(jù)線(下)和左右同步線(上)，而左右同步線用來選擇當(dāng)前正在傳送的數(shù)據(jù)幀是左聲道的還是右聲道的。

　　從本質(zhì)上講，I2S是一個帶有兩個活動聲道的時分復(fù)用(TDM)串行流。TDM是一種通過一條物理鏈路傳輸超過一個聲道(比如左聲道與右聲道)的方法。

　　在AD1871電路結(jié)構(gòu)中，當(dāng)對SPORT時鐘(RSCLK)和幀同步(RFS)線進(jìn)行驅(qū)動時，ADC可以降低它從外部晶振接收到的12.288 MHz采樣率。該配置保證了采樣和數(shù)據(jù)傳輸是同步的。

　　SPI接口，如圖4b所示，是Motorola為了使主處理器可以與各種數(shù)字器件相連而設(shè)計(jì)的。這個在SPI主設(shè)備與SPI從設(shè)備之間的接口由一條時鐘線(SCK)、兩條數(shù)據(jù)線(MOSI和MISO)和一條從設(shè)備選擇(SPISEL)線組成。其中一條數(shù)據(jù)線由主設(shè)備(MOSI)驅(qū)動，而另一條由從設(shè)備(MISO)驅(qū)動。在圖3b的例子中，處理器的SPI端口是無縫地與AD1871的SPI模塊相連接的。

圖4 (a)數(shù)據(jù)信號由AD1871使用I2S協(xié)議進(jìn)行傳送 
(b) SPI 3線接口用于控制AD1871

　　帶有獨(dú)立SPI控制端口的音頻編解碼器允許主處理器在運(yùn)行中修改ADC的設(shè)置。除了靜音和增益控制外，其中一個確實(shí)很有用的ADC(如AD1871)設(shè)置是對節(jié)電模式的設(shè)置能力。對于電池供電的應(yīng)用來說，這通常是一個本質(zhì)功能。

　　DAC與編解碼器
　　將音頻DAC與主處理器相連接與我們才討論過的與ADC連接的過程完全一樣。在一個同時使用ADC和DAC的系統(tǒng)中，同一個支持雙向傳輸?shù)拇卸丝诳梢酝瑫r連接這兩者。

　　但是，如果您正在考慮全雙工音頻，那么您最好采用一個可以同時完成模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換的單芯片音頻編解碼器。這樣的編解碼器的一個很好的選擇是ADI公司的AD1836，它有三個立體聲DAC和兩個立體聲ADC，而且可以通過多種串行協(xié)議進(jìn)行通訊，包括I2S。

　　在本文中，我們講到了將音頻轉(zhuǎn)換器與嵌入式處理器進(jìn)行連接的一些基本內(nèi)容。在本文的第二部分，我們將敘述音頻數(shù)據(jù)在存儲和處理時的格式。我們將特別回顧在選擇數(shù)據(jù)字長時的折衷方法。這是很重要的，因?yàn)檫@決定了所用的數(shù)據(jù)類型，而且，如果希望獲得的質(zhì)量等級太高而某個特定器件達(dá)不到的時候，也可以避免選擇某些處理器。此外，數(shù)據(jù)字長的選擇有助于在增加動態(tài)范圍和增加處理能力之間的折衷選擇。