音频的构架以及原理

Audio 系统构架

摘要:本课题主要研究音频的构架以及原理。这里的音频构架主要针对

笔记本codec以及HAD LINK。通过对CODEC初始化，工作原理以及 Azalia协议的描述来说明笔记本音频系统的构架。另外通过采样，D/A转换，编码，DSP处理，硬声卡等一系列的描述来体现整个音频系统的原理。

目 录

第一章 codec的介绍 ................................................................................ 2

1.1audio codec

1.2ALC662

1.3ALC662外围电路设计

2 2 3

第二章controller and LINK Protocol ........................................................ 7

2.1 controller及其构架

2.2 LINK上的流和频道

2.3codec地址分配和握手方式

7 8 11

第三章 HDA controller和codec的初始化 ........................................... 12

3.1controller初始化

3.2 codec的配置 3.3CORB与RIRB

12 13 13

第四章采样和AD转换 ........................................................................... 16

4.1采样定理

4.2采样电路 4.3AD转换

16 18 21

第五章音频信号的编码 .......................................................................... 22

5.1音频编码的由来

5.2心里声学模型 5.3 PE 值的计算

5.3位元的分配以及帧格式 5.5MP3的编码过程 5.6子带滤波器 5.7MDCT 5.8量化编码

23 23 27 28 30 31 32 33

5.9总结 36

第六章 DSP, 硬声卡的简单介绍 .......................................................... 36

6.1 DSP

6.2 硬声卡

36 37

第一章 codec的介绍

1.1audio codec

Codec意思是数字信号编码器，其使用范围很广泛，在这里我们只讨论audio codec。audio codec在笔记本中其根本的作用主要是D/A，A/D转换。audio codec从HAD LINK上接受到的是纯正的一帧一帧的音频采样信号（后续会对此详细描述），他就是通过对这些采样信号D/A转化得到最后的模拟声音信号的输出。当然audio codec也可以通过MIC,LINEIN等端口接受到模拟的音频信号，然后对这些信号进行A/D转换，再传输到上层编码，最后储存或者传输。下面我们以ALC662为列对CODEC做详细的描述。

1.2ALC662

ALC662是一款5.1声道的codec，包括：前声道左右，后声道左右，中间声

道，再加一个低音炮一共为5.1声道。ALC662 LQFP48 pin封装，可以划分为数字部分和模拟部分两块。数字部分是与HDALINK连接的部分，有REST#,BITCLK,SYNC,SDOUT,SDIN，当然还有两个数字电以及数字地。REST#信号使CODEC进入一个上电完成状态，其内部寄存器恢复默认或保留值，另外REST#至少持续100us来使得BCLK跑到一个正确的值（内部PLL锁频需要的时间）。REST#是由HDA controller发出的，连接到HAD LINK上所有的device。当power up PCI reset或者软件通过CRST寄存器初始化link的时候都会产生REST#。BITCLK是有HAD controller发出的连接到link上所有设备的工作24M参考时钟。SYNC是48KHZ流同步信号，每一帧中会包含一个到几个的流，给不同的设备，每个流的stream tag就是包含在SYNC信号中。SDOUT是有HDA controller发送到codec的数字信号，支持一对多连接，即LINK几个设备可以公用一个SDOUT。SDOUT是在clock上升和下降沿都采样的信号，一次其速率为

48M。SDIN是由device向controller传输数据的。只支持一对一传输，即不可由多个device公用一根SDIN线。两个数字电分别用于内部core逻辑和link的用电。其内部core逻辑为3.3V供电，link用电可以是3.3v也可以是1.5V这就需要由南桥的HAD controller输出决定了。

模拟部分也就是最终声音信号输出或输入。其中输入包括LINE IN,MIC IN,CDIN。LINEIN可以作为录音功能使用，CDIN是接到IDE光驱上的用来接受模拟的CD音乐输入，其作用就是一方面后台播放音乐，另外也是使CD音乐直接由CD-IN到codec输出而不必经过一系列的传输以及解码而占用系统资源。MICIN用于麦克风的输入引脚。输出就是包括5.1声道的模拟输出外加一个SPDIF数字音频输出。

1.3ALC662外围电路设计

本节主要讨论codec外围设计时的一些注意点以及原理。

数字部分主要要小心的是电的选择，数字电有一个是3.3/1.5可选的，要注意什么时候选择3.3什么时候选择1.5。一般情况我们都是选择3.3只是在HDA LINK传输的信号必须为1.5V时（比如GM使用HDMI时由于的HAD LINK只支持1.5V电平）才选择后者。另外由于选择1.5V电平后codec的模拟输出也会有一定的减小，因此最大音量输出会相应的减小我们要对此注意调节。（下面会具体讲到调节方法）

模拟部分我们主要考虑的是，去耦电容的选择，运放的运用，bobo音的改善方法，以及MIC啸叫之类问题的处理。

我们加去耦电容主要是防止音频信号输出上的共模含量影响声音质量或对输出产生干扰。理论上讲我们应高选择比较大的去耦电容（比如100uF），这样可以减小去耦电容对低频部分声音信号的抑制，提高声音输出的质量，但不管是根据成本考虑还是实际效果的考虑我们都不会选择大去耦电容，除非在需要过杜比时在LINEOUT口上加100uF电容。而对于喇叭口我们一般是上0.1-0.47uF的电容，因为对于喇叭而言其本身声音输出的质量就不高因此没必要给一个高质量的输入。

由于codec驱动能力有限其输出音频引号的峰峰值也并不是很大为了保证喇叭输出的音量我们需要外加运放。集成运放我们设计成单端输入差分输出的方

式。对于集成运放其原理相信学过模电或者集成电路的应该都知道这里就不再介绍了。由于我们用于音频20-20KHZ的信号放大（放大比例也不大就6-10db）因此对于运放的带宽增益积也没什么特别的要求。主要是在经过运放后对我们的信号不应该有明显的干扰，因此信噪比有一定要求。加入运放后主要带来的一个问题就是bobo音。其实bobo音产生的根源并非codec,也非运放本身。而是我们使用的这种单端输入差分输出的方式产生的。单端输入造成运放两输入端的不匹配，而这中不匹配就导致在上电时在运放两输入pin达到偏置电平这段时间有个ΔV或者ΔI，而这个ΔV或者ΔI在经过运放放大到输出端后就产生bobo音。为了减小bobo音我们就需要调节运放输入端口使其匹配（也就是调节两端的电容电阻）。

如图1-1是我们常用功放（TPA6017）的内部结构图，我们发现其内部结构是非常对称的。一般功放需要工作在一定的偏置电平，对于+5V的工作电源其偏置电平在2-2.5之间。一般输入脚的偏置电平是由运放的输入电源分压提供。对于我们的接发，IN- pin通过电容电阻拉到地上，在上电时偏置电平对外接电容充电。而对于IN+ pin我们是接到codec的输出pin上的，由于在上电是codec的输出pin也会有个common电平的上升因此，IN+上电容的电流以及两端的电压的上升会与IN-脚不一致，产生一个ΔV或者ΔI。也就是这个产生的bobo声。

图1-1

对于MIC的啸叫音这也是我们经常遇到的情况。现实生活中也长有：比如拿着麦克风讲话时，嘴巴靠经麦克风我们还没开始说话喇叭那端会产生一个持续的啸叫音很是刺耳。我们笔记本电脑也常有这个问题，比较让人受不了的是当机盖合到一定位置就会产生啸叫（因为这种情况比较容易出现有很大影响）。为了了解解决这一问题的方法我们就得现弄清楚啸叫产生的原因了。啸叫简单的说就是由于闭环系统震荡形成的。喇叭输出的声音经过空气，机构反射再到MIC，然后MIC又经过功放再从喇叭输出。这形成了一个闭环回路，当这个回路的增益A>1时就形成震荡，震荡达到功放输出的极限就成了啸叫了。我们知道声音信号经过喇叭输出后经过反射，吸收以及空气传输过程中的损耗，到达MIC端其衰减是很大的。所以一般闭环增益A一般不会大于1。

但是有两种情况导致啸叫产生成为可能。第一由于反射的存在使得在MIC端声音信号会存在一个峰点：即某一频率的信号在MIC这一点前一次，前两次

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