掌握音頻協(xié)議和標準

過去幾年里，音頻技術(shù)取得了巨大進步，特別是在家庭影院和汽車音響市場。汽車中的傳統(tǒng)四揚聲器立體聲系統(tǒng)正逐漸被多聲道多揚聲器音頻系統(tǒng)所取代。在印度，帶雙揚聲器立體聲系統(tǒng)的電視機現(xiàn)已被帶5.1多聲道的家庭影院系統(tǒng)所取代。

當今的音頻設(shè)計挑戰(zhàn)在于如何模擬實際的聲音并通過各種音頻設(shè)備進行傳送。聲音可以來自任何方向，實際上，我們的大腦能夠計算并感知聲音的來源。例如，當戰(zhàn)斗機從一點飛到另一點時，它所產(chǎn)生的聲音實際上來自無數(shù)個位置點。但是，我們不可能用無數(shù)個揚聲器來再現(xiàn)這種音頻體驗。

利用多聲道、多揚聲器系統(tǒng)和先進的音頻算法，音頻系統(tǒng)能夠惟妙惟肖地模擬真實聲音。這些復(fù)雜的音頻系統(tǒng)使用ASIC或DSP來解碼多聲道編碼音頻，并且運行各種后處理算法。聲道數(shù)量越多，意味著存儲器和帶寬要求越高，這就需要使用音頻數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來編碼并減少所要存儲的數(shù)據(jù)。這些技術(shù)還能用來保持聲音質(zhì)量。

與數(shù)字音頻一同發(fā)展的還有音頻標準和協(xié)議，其目的是簡化不同設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸，例如，音頻播放器與揚聲器之間、DVD播放器與AVR之間，而不必將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號。

本文將討論與音頻行業(yè)相關(guān)的各種標準和協(xié)議，同時也會探究不同平臺的音頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及各種音頻算法和放大器。

標準和協(xié)議
S/PDIF標準——該標準定義了一種串行接口，用于在DVD/HD-DVD播放器、AVR和功率放大器等各種音頻設(shè)備之間傳輸數(shù)字音頻數(shù)據(jù)。當通過模擬鏈路將音頻從DVD播放器傳輸?shù)揭纛l放大器時，會引入噪聲，該噪聲很難濾除。不過，如果用數(shù)字鏈路代替模擬鏈路來傳輸音頻數(shù)據(jù)，問題就會迎刃而解。數(shù)據(jù)不必轉(zhuǎn)換為模擬信號就能在不同設(shè)備之間傳輸，這是S/PDIF的最大優(yōu)勢。

該標準描述了一種串行、單向、自備時鐘的接口，可互連那些采用線性PCM編碼音頻采樣的消費和專業(yè)應(yīng)用數(shù)字音頻設(shè)備。它是一種單線、單信號接口，利用雙相標記編碼進行數(shù)據(jù)傳輸，時鐘則嵌入數(shù)據(jù)中，在接收端予以恢復(fù)（見圖1）。此外，數(shù)據(jù)與極性無關(guān)，因此更易于處理。S/PDIF是從專業(yè)音頻所用的AES/EBU標準發(fā)展而來。二者在協(xié)議層上一致，但從XLR到電氣RCA插孔或光學(xué)TOSLINK的物理連接器發(fā)生了改變。本質(zhì)上，S/PDIF是AES/EBU格式的消費型版本。S/PDIF接口規(guī)范主要由硬件和軟件組成。軟件通常涉及S/PDIF幀格式，硬件則涉及設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸所使用的物理連接媒介。用于物理媒介的各種接口包括：晶體管與晶體管邏輯、同軸電纜（以RCA插頭連接的75Ω電纜）和TOSLINK（一種光纖連接）。

圖1 S/PDIF雙相標記編碼流

S/PDIF協(xié)議——如上文所述，它是一種單線串行接口，時鐘嵌入數(shù)據(jù)之中。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用雙相標記編碼。時鐘和幀同步信號在接收器端與雙相解碼數(shù)據(jù)流一同恢復(fù)。數(shù)據(jù)流中的每個數(shù)據(jù)位都有一個時隙。時隙以一個躍遷開始，并以一個躍遷結(jié)束。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位是“1”，則時隙中間還會增加一個躍遷。數(shù)據(jù)位“0”則不需要額外躍遷，躍遷之間的最短間隔稱為單位間隔(UI)。

S/PDIF幀格式——首先驅(qū)動數(shù)據(jù)的最低有效位。每個幀有兩個子幀，分別是32個時隙，共64個時隙（見圖2）。子幀以一個前導(dǎo)碼開始，后面跟隨24位數(shù)據(jù)，最后以攜帶用戶數(shù)據(jù)和通道狀態(tài)等信息的4位結(jié)束。子幀的前4個時隙稱為前導(dǎo)碼，用于指示子幀和塊的開始。前導(dǎo)碼有三個，每一前導(dǎo)碼均包含一個或兩個持續(xù)時間為3UI的脈沖，從而打破雙相編碼規(guī)則。這意味著，該模式不可能存在于數(shù)據(jù)流中的其他地方。每個子幀都以4位前導(dǎo)碼開始。塊的開始用前導(dǎo)碼“Z”和子幀通道的開始“A”表示。前導(dǎo)碼“X”表示通道“A”子幀的開始（不同于塊的開始），前導(dǎo)碼“Y”表示通道“B”子幀的開始。

圖2 S/PDIF子幀、幀和塊格式

I2S總線——在當今的音頻系統(tǒng)中，數(shù)字音頻數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部的各種器件之間傳輸，例如編解碼器、DSP、數(shù)字IO接口、ADC、DAC和數(shù)字濾波器之間。因此，為了增強靈活性，必須有一個標準的協(xié)議和通信結(jié)構(gòu)。專為數(shù)字音頻而開發(fā)的I2S總線規(guī)范現(xiàn)已被許多IC廠商采用，它是一種簡單的三線同步協(xié)議，包括如下信號：串行位時鐘(SCK)、左右時鐘或字選擇(WS)以及串行數(shù)據(jù)。WS線表示正在進行傳輸?shù)穆暤馈．擶S為邏輯高(HI)電平時，右聲道進行傳輸；當WS為邏輯低(LO)電平時，左聲道進行傳輸。發(fā)送器以二進制發(fā)送數(shù)據(jù)，首先補足MSB。幾乎所有DSP的串行端口都將I2S作為串行端口模式之一。音頻編解碼器也支持這種模式。