便携式应用中的音频接口

针对不同的数字音频子系统，催生出几种微处理器或DSP（数字信号处理器）与音频器件间用于数字转换的接口。受系统实际性能的限制，通常情况下接口的选择取决于音频通道数目、数据处理及采样率等参数。对便携式系统来说，功率耗散与物理器件的尺寸通常是同等重要的。本文将介绍目前市场中存在的几种音频接口规格。
PCM规格
最简单的音频接口之一是所谓的PCM（脉冲编码调制）接口。严格地说，所有数字信号进行传输都要经过PCM，并且需要仔细参照用于数字电话的单声道机制。PCM接口由时钟脉冲（BCLK）、帧同步信号（FS）及数据队列组成，每个PCM对应一个将要接收或将要发送的数据。
在FS信号的上升沿，数据传输从MSB（Most SignificantBit）字开始，FS频率等于采样率。FS信号之后开始数据字的传输，单个的数据位按顺序进行传输，1个时钟周期传输1个数据字。发送MSB时，信号的等级首先降到最低，以避免在不同终端的接口使用不同的数据方案时造成MSB的丢失。除了在应用中正在衰落的RJ（Right- justified）格式外，目前这种方法已经用于大部分音频接口中。
PCM接口很容易实现，原则上能够支持任何数据方案和任何采样率，但需要每个音频通道获得一个独立的数据队列，这种属性会使PCM在数字电话等初级目标应用系统中成为极受欢迎的选择。
I2S规格
I2S接口（Inter-IC Sound）在20世纪80年代首先被飞利浦用于消费音频，并在一个称为LRCLK（Left/RightCLOCK）的信号机制中经过多路转换，将两路音频信号成单一的数据队列。当LRCLK为高时，左声道数据被传输；LRCLK为低时，右声道数据被传输。与PCM相比，I2S更适合于立体声系统。对于多通道系统，在同样的BCLK和LRCLK条件下，并行执行几个数据队列也是可能的。
然而，便携式系统中的Hi-Fi音频要求高于立体声。首先，更复杂的音频IC通常通过写入内部寄存器而得到控制。由于I2S、PCM和类似的音频接口不能提供寄存器入口，因此需要独立的控制接口，如在控制器上增加音频IC的管脚数目。第二，在不同采样率下执行音频的能力很关键，44.1kHz（音频CD 的标准频率）和48kHz（计算机音频标准频率）都是应用非常广泛的频率。
对I2S和它的衍生系列而言，系统要么在不同的频率下产生Low-jitterBCLK和LRCLK（在PCM情况下也可以是FS），要么在软件环境中将所有的音频流转换成单一的采样率。第一种情况要求至少有一个模拟锁相环（PLL）和两个同步反馈，并在不同频率上进行记录。而且在评估接口的功效时，必须将增加的功耗计算在内。第二种情况虽然加强了计算能力，但也使处理器的功耗显著增加。而且当这个处理器同时执行用户应用程序时，整个系统运行速度会变慢，在音频打开时甚至停止运行。
现在越来越多的消费者希望从数码相机、数码摄像机、MP3播放器、手提DVD机、便携式多媒体播放器及多媒体处理器中获取更好的听觉效果和更多的功能。欧胜公司为此扩大了解码器的工作范围，近期推出的WM897x系统I2S音频协议不但提高了系统的集成度，也提高了系统的音频质量。
以立体声WM8980及单声道WM8982为例，可以通过屏幕显示直接与电视机相连。在便携式系统中，与高质量的音频功能相同的视频功能需要额外的视频功放来实现，WM8978系统就是对2004年10月推出的WM8974系统的全面立体声功能的升级。
三款产品以DSP微处理器为内核，可将风声等过滤，来提高音频系统的录音功能，特别是在可视化系统中的作用更明显。另外，新产品还采用了5波段与3D音频系统的均衡来提高音频输出以及可编程阻态滤波器消除噪声。这些系统通常也支持时钟频率在12MHz～19MHz的麦克风及手机喇叭的驱动部分，可进一步减少产品中元器件的数量。为满足高质量音频喇叭以及压电型喇叭的功耗可以达到900mW，数字式录音回放限制器防止喇叭的过量输出，三款解码器产品的模拟部分需要的供电电压低达2.5V，数字部分的供电电压低达1.6V。
随着移动产品需求的急剧增加，通过把两种接口技术应用于一体，可以将简单的传输单声道音频的形式与诸如Hi-Fi功能的可拓展标准相融合，这种结合方式大大提高了电池的使用寿命，并可以整合资源，比如在MP3回放时可以轻松地处理来电。
WM8753L将IIS协议中的立体声Hi-Fi模数转换器与独立的单声道PCM数模转换技术集成在一个芯片中，并且具有IIS协议及PCM接口都具备的数模转换功能，这就使得MP3、对话及其他音频功能可以共同工作。
MAX8753L是少数融合了PCM/Hi-Fi功能的模拟部分工作电压低于1.8V、数字部分工作电压低于1.42V的解码器。在1.8V的工作电压下，解码器在进行立体声回放时最低功耗是7mW，在PCM工作状态的最低功耗小于6mW。该系统集成了为连接不同扩音器的双接口技术，其中包括喇叭、耳机以及听筒的驱动部分。外部器件已经不再需要分离的耳机或者耳机放大器部分，cap-less接口方式可以连接所有负载。嵌入式数字信号处理系统可以对音调、低音强化、自动调整耳机音量或模/数转换器进行控制。这两种模数转换方式能够对双DSP系统进行噪音消除或进行立体声的存储。
在主时钟频率为12MHz～24MHz的具有USB接口的系统、19.2MHz的移动系统以及标准的256fs比率12.288MHz及 24.576MHz的系统中，WM8753LHi-Fi模数转换器既可以作为控制部分，也可以作为被控部分。其内部的缩相环系统可以产生满足PCM及Hi -Fi转换所需要的时钟频率。如果音频系统中需要的时钟频率已经存在，锁相环可以用作其他的用途。
AC'97/AC-Link规格
AC'97（音频编码1997）标准是Intel公司为计算机音频而指定的。与PCM和I2S不同，AC'97不只是一种数据格式，用于音频编码的内部架构规格，它还具有控制功能。众所周知的AC-Link接口包括位时钟（BITCLK）、同步信号校正（SYNC）和从编码到处理器及从处理器中解码（SDATDIN与SDATAOUT）的数据队列。AC'97数据帧以SYNC脉冲开始，包括12个20位时间段（时间段为标准中定义的不同的目的服务）及16位"tag"段，共计256个数据序列。例如，时间段"1"和"2"用于访问编码的控制寄存器，而时间段"3"和"4"分别负载左、右两个音频通道。"tag"段表示其他段中哪一个包含有效数据。把帧分成时间段使传输控制信号和仅通过4根线到达9个音频通道或转换成其他数据流成为可能。与具有分离控制接口的I2S方案相比，AC'97明显减少了整体管脚数。
例如在44.1kHz频段上播放音频，在超过12帧的一帧处各个时间段被标记为无效，有效数据点通过编码器中的D/A转换器被均匀地分布到每个时间段形成低失真模拟信号，这种方法与PLL或有采样率转换的情况相比具有相当少的功耗。
AC'97的复杂度在于更高的门数和接口本身的功耗，通过系统级措施，如内置多速率电源，AC'97的功耗仍比较大，因此AC'97适合于使用不止一个采样率的复杂系统，如电话机和多媒体PDA。其固有的20位数据解决方案和最高48kHz的采样率在便携式应用中是非常难得的，这些应用中电池的寿命和小尺寸与音频质量同样重要。
与I2S不同的是，AC'97在传输无音频附加数据码时具有特有的带宽及传输协议。因此，当AC'97系统使用时就不需要再增加额外的数字式触摸屏。欧胜公司已经利用这特点为诸如WM9712的系统提供了集成的触摸屏接口技术、片内显示驱动技术、高保真立体声技术、声音及铃音管理技术。笔写检测以及压力检测能力可以利用一个4管脚AC-link总线及数据接口实现音频系统与PDA便携式系统的数据传输。
从尽可能增加电池的使用寿命方面考虑，这种将AC'97及PCM系统集成在微型PC机、掌上电脑及智能手机中的情况类似于I2S/PCS系统。欧胜公司的WM9713产品在WM9712基础上增加了一个音频解码器用来进行手机对话管理，以尽可能地延长电池的使用寿命。
Azalia规格进入计算机和消费者音频中
在计算机和消费音频中，AC'97规格正被近来由Intel发展起来的Azalia规格所代替。这种新的标准是对AC'97规格的加强，它包括32位解决方案、高达192kHz的采样率，能够灵活地配置输入/输出管脚和接到插座传感器上的耳机、激活插入单个插座中的扬声器。另外，使用27.576kHz （是AC'97的两倍）的位时钟引起的额外功耗是延长电池寿命的一大障碍。因此，如果不考虑在其他市场进行发展，Azalia在便携应用中成为主流的机会很小。
MIPI正推动音频接口规格发展
移动工业联盟（MIPI）正针对LML（Low-Speed、Multi-dropLink）下一代移动电话推动第一种音频接口规格的发展。尽管这种开放式规格还处于初级阶段，却很有可能用较少的管脚数将音频接口、控制接口集成在一起。这与目前可以使用的任何一种规格有所不同，正逐渐被IC业主认可和采纳。