嵌入式音頻處理基礎

音頻DAC

　　傳統(tǒng)的D/A轉換方法有加權電阻器、R-2R梯形網(wǎng)絡和零點交叉失真等。正如A/D中的情況那樣，Σ-Δ設計統(tǒng)治了D/A轉換的領域。這些轉換器可以接受16位44.1kHz的信號，然后使用插值濾波器把它轉換為2.8224MHz的1位樣點流。然后用1位的DAC把這些超級采樣的樣點流轉換成模擬信號。

　　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換要進行兩次。由于這個原因，Sony與Philips (NXP半導體)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轉換。它的缺點是，DSD流不像PCM那樣直觀，而且需要一套獨立的數(shù)字音頻算法。

　　連接至音頻轉換器：一個ADC的例子

　　好了，我們有了足夠的背景知識?，F(xiàn)在讓我們看一下實際的轉換器連接的例子。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技術以96kHz的速率進行24位的轉換。圖3a示出了AD1871的功能框圖。這個轉換器有左(VINLx)和右(VINRx)兩個輸入聲道，這其實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通過軟件命令進行配置。這些命令包括設置采樣率、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，因為在這個討論中只有數(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半導體)為音頻信號的數(shù)字傳輸而開發(fā)的一個標準。該標準使音頻設備制造商所生產(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電路結構中，當對SPORT時鐘(RSCLK)和幀同步(RFS)線進行驅動時，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)字器件相連而設計的。這個在SPI主設備與SPI從設備之間的接口由一條時鐘線(SCK)、兩條數(shù)據(jù)線(MOSI和MISO)和一條從設備選擇(SPISEL)線組成。其中一條數(shù)據(jù)線由主設備(MOSI)驅動，而另一條由從設備(MISO)驅動。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)議進行傳送
(b) SPI 3線接口用于控制AD1871

　　帶有獨立SPI控制端口的音頻編解碼器允許主處理器在運行中修改ADC的設置。除了靜音和增益控制外，其中一個確實很有用的ADC(如AD1871)設置是對節(jié)電模式的設置能力。對于電池供電的應用來說，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。