實時音頻方案的演變與設(shè)計挑戰(zhàn)

　　二十年之前，當(dāng)有人想在個人計算機上實現(xiàn)實時音頻應(yīng)用時，通常是通過觸發(fā)97號I/O端口的第一位產(chǎn)生一個方波脈沖，然后通過PC機內(nèi)置的一個很小的發(fā)聲器將聲音播放出來。10年前，談到PC機上的實時音頻時通常意味著購買一塊PCI聲卡。然而在剛剛過去的這10年間，大多數(shù)從運貨箱中取出的PC機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的過渡

　　AC'97規(guī)范是Intel在1997年提出的，該規(guī)范鼓勵主板制造商在其制造的主板上集成價格相對低廉的混合信號“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。這種方式實現(xiàn)的音頻品質(zhì)往往并不能達到高保真音樂迷和狂熱游戲玩家的標準，因為對于低噪聲的音頻信號而言，PC主板是一個本質(zhì)上很不友好的電氣環(huán)境。在主處理器負荷很重時，例如在運行圖象處理量繁重的游戲或屏幕更新任務(wù)時，AC'97系統(tǒng)還可能會表現(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，出現(xiàn)這樣的問題可大大不妙。

　　多聲道音頻技術(shù)

　　Intel公司在2004年就公布了HDA標準(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)流都與一個幀速率固定為48kHz的SYNC信號同步。

　　PC機中使用的典型HDA系統(tǒng)都能提供5到8個板載模擬音頻通道(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同軸連接器、光連接器或同時通過這兩種連接器提供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行功能用于并行回放。例如，一臺家庭娛樂電腦可能在用于廳內(nèi)播放多聲道環(huán)繞聲DVD電影的同時被廚房或書房中的另一個用戶用來播放互聯(lián)網(wǎng)視頻共享網(wǎng)站上的聲音信號。類似的，狂熱的網(wǎng)游愛好者可能會選擇通過音箱播放游戲的5.1音頻聲軌，同時又通過輕便的耳機在互聯(lián)網(wǎng)上進行實時音頻聊天。

　　PC音頻子系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)

　　顯然，音頻子系統(tǒng)設(shè)計師和編程人員所面臨的挑戰(zhàn)是如何確保多個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)試和維護更加容易。硬件設(shè)計師必須遵循完善的模擬設(shè)計規(guī)范，才能在苛刻的PC環(huán)境下保證信號完整性。

　　除了選擇音頻編解碼芯片之外，設(shè)計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連接器時選擇合適的數(shù)字I/O。

　　編解碼器制造商的版圖說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)字信號對模擬電路的感性串?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較大的電解電容(10μF)。只要足夠細心，那么硬件設(shè)計師就能在PC環(huán)境中設(shè)計出真正高清音頻電路。

　　圖2：MPEG環(huán)繞聲。