音频硬件基础

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#CODEC #数字音频接口 #FIFO #DMA #中断

于 2018-02-01 10:22:22 首次发布

1、CODEC

音频压缩CO+解压缩DEC，CODEC就是多媒体数字信号编解码器，主要负责DAC和ADC。不管是音频加速器，还是I/O控制器，他们输入输出的都是纯数字信号，我们要使用声卡上的Line Out插孔输出信号的话，信号就必须经过声卡上的CODEC的转换处理。可以说，声卡模拟输入输出的品质和CODEC的转换品质有着重大的关系，音频加速器或I/O控制器决定了声卡内部数字信号的质量，而CODEC则决定了模拟输入输出的好坏。

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外挂codec（AC107）：

AC107是具有I2S/TDM输出转换的高度集成的2通道ADC。它专为高清语音捕获和识别应用平台中的多麦克风阵列而设计。

集成的数字PLL支持大范围的输入/输出频率，它可以从6 // 12-MHz，6.144- / 12.288-MHz，5.6448- / 11.2896-MHz，13MHz，19.2MHz，24.576MHz和其他非标准音频系统时钟。支持音频采样8kHz，11.025kHz，12kHz，16kHz，22.05kHz，24kHz，32kHz，44.1kHz，48kHz，96kHz。

AC107将立体声同步ADC与独立的可编程麦克风偏置电压和麦克风升压放大器集成在一起，可提供有效的通道数据，从而可以消除通道串扰。模拟输入端口MIC1P / N〜MIC2P / N被设计为两个差分麦克风引脚或单端输入引脚。每个通道中都提供独立的数字音量控制器。

AC107可以通过标准I2S或PCM格式在I2S端口上传输其2通道输出数据。同样，一台设备到八台设备可以组合起来，通过一条TDM线传输多达16个通道的输出数据。此外，当AP的I2S格式为常规协议类型时，可以使用一种称为编码模式的新格式来传输16个通道数据。

AC107通过TWI（2线串行接口，与I2C兼容）进行控制。时钟支持高达400 KHz的速率。它仅在从机模式下工作。

AC107特性：

103dB动态范围（A权重）@0dB提升增益
– 85dB THD+N@0dB增强增益
ADC支持的采样率：8kHz〜96kHz
两个全差分麦克风输入
一个数字麦克风SCLK输出@1.024M〜3.072M
PLL支持宽时钟输入6 / 12MHz的，6.144MHz，5.6448MHz，13MHz的，16MHz的，19.2MHz的和24MHz的可编程低噪声麦克风偏置1.8V〜3.0V
<20mW的2-ADC低功耗应用

AC107应用：

智能语音助手系统
语音记录器
数码相机和摄像机
语音会议系统

AC107应用图：
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2、数字音频接口

数字音频接口DAI，即Digital Audio Interfaces，顾名思义，DAI表示在板级或板间传输数字音频信号的方式。相比于模拟接口，数字音频接口抗干扰能力更强，硬件设计简单，DAI在音频电路设计中得到越来越广泛的应用。图2-1是一个典型的数字音频系统的电路组成，图中的嵌入式微控制器/DSP中集成了PCM、IIS或AC97音频接口，通过这些接口连接外部的音频编解码器即可实现声音的AD和DA转换，图中的功放完成模拟信号的放大功能。
图 2-1
　　　　　　　　　　　　　　图 2-1

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下面主要介绍音频设备的3种硬件接口—IIS，PCM和AC97：

2.1 IIS接口

2.1.1 IIS简介

IIS接口（Inter-IC Sound Bus内置集成电路音频总线）是飞利浦在1986年定义（1996年修订）的数字音频传输标准，用于数字音频数据在系统内部器件之间传输，例如编解码器CODEC、DSP、数字输入/输出接口、ADC、DAC和数字滤波器等。它采用了沿独立的导线传输时钟与数据信号的设计，通过将数据和时钟信号分离，避免了因时差诱发的失真，为用户节省了购买抵抗音频抖动的专业设备的费用。

I2S时差性能要优于SPDIF，适合短距离通讯。

2.1.2 IIS特点

支持全双工/半双工。(单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。）
支持主/从模式。(主模式：就是主CPU作为主机，向从机（挂载器件）发送接收数据。从模式：就是主CPU作为从机，接收和发送主机（挂载器件）数据。而主从机的分别其实是一个触发的作用，主机主动触发，从机只能被动响应触发。)
和PCM相比，I2S更适合立体声系统。当然，IIS的变体也支持多通道的时分复用，因此可以支持多声道。

2.1.3 硬件结构

IIS是比较简单的数字接口协议，没有地址或设备选择机制。

在IIS总线上，只能同时存在一个主设备和从设备。主设备可以是发送设备，也可以是接收设备，或是协调发送设备和接收设备的其它控制设备。在IIS系统中，提供时钟（SCK和WS）的设备为主设备。图2-2是常见的IIS系统框图。在高端应用中，CODEC经常作为IIS的主控设备以精确控制IIS的数据流。
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　　　　　　　　　　　　　　　图 2-2

IIS协议定义三根信号线：时钟信号SCK、左右声道选择信号WS和数据信号SD。

SCK：串行时钟SCLK，也叫位时钟（BCLK），对应数字音频的每一位数据，SCLK都有一个脉冲。模块内的同步信号，从模式时由外部提供，主模式时由内部产生。
SCLK的频率= 声道数 X 采样频率 X 采样位数。
WS：帧时钟LRCK，也称WCLK，声道选择信号，表明数据发送端所选择的声道（WS＝0，表示选择左声道；WS＝1，表示选择右声道）。一个时钟周期代表一个音频采样点数据，LRCK的频率等于声音的采样频率。
SD：串行数据SDATA，以二进制补码形式在数据线上传输；在WS变化后的第一个SCK脉冲，先传输最高位（MSB, Most Significant Bit）。
MCLK：主时钟，也是以上两个时钟的参考时钟，一个系统应该使用同一的MCLK以保证时钟同步要求。常见频率256fs或384fs。有时为了使系统间能够更好地同步，当I2S配置为主模式（并且SPI_I2SPR寄存器中的MCKOE位置1）时，使用此时钟，该时钟输出频率 256×fs，fs即音频信号采样频率（fs）。

对于系统而言，能够产生SCK和WS的信号端就是主设备，用MASTER表示，简单系统示意图如下：
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