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處理器/DSP  

即時音訊方案的演變與設計挑戰

上網時間: 2008年12月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:即時音訊  多聲道  高解析音訊 

二十年之前,當有人想在個人電腦上實現即時音訊應用時,通常是透過觸發97號I/O埠的第一位元產生一個方波脈衝,然後透過PC內建的一個很小的發聲器將聲音播放出來。10年前,談到PC上的即時音訊時通常意味著購買一塊PCI音效卡。然而,過去10年內,多數PC都能直接使用主板內建的音訊解決方案播放音訊,這些解決方案均符合音訊編解碼器(AC)'97規格及其後續版本-Intel高解析音訊(HDA)多聲道規格。

AC'97發展歷程

AC'97規格是Intel在1997年提出的,該規格鼓勵主板製造商在其製造的主板上整合價格相對低廉的混合訊號‘編解碼器’晶片,這曾在PC音訊產業掀起了軒然大波。AC'97規格的數位控制器部份恰好位於I/O控制器中心(ICH)的‘南橋’晶片中,而音訊處理和數據機所需的類比數位和數位類比功能則位於音訊編解碼器晶片中。AC'97最早的目標是支援單聲道麥克風輸入和雙聲道(立體聲)音訊I/O特性、16到20位元解析度和每通道48kHz採樣率。

然而,該規格並不能滿足所有最終用戶。這種方式實現的音訊品質往往並不能達到高傳真音樂迷和狂熱遊戲玩家的標準,因為對於低雜訊的音訊訊號而言,PC主板是一個本質上很不友好的電氣環境。在主處理器負載很重時,例如在執行影像處理量繁重的遊戲或螢幕更新任務時,AC'97系統還可能會表現出令人討厭的音訊突波、喀嗒聲和音訊丟失。在我們想要享受帶杜比數位5.1聲道的DVD光碟時,出現這樣的問題可不太妙。

多聲道音訊技術

Intel公司在2004年就公佈了HDA標準(見圖1),用以滿足最終用戶不斷提高的期望值。Intel的HDA繼承了AC'97採用主板聲音解決方案的傳統,但又專為支援家庭娛樂而額外添加了高性能的音訊功能。HDA規格支援八通道的192kHz/32位元音訊輸出。

圖1:Intel公司針對PC的高解析音訊系統架構圖。
圖1:Intel公司針對PC的高解析音訊系統架構圖。

HDA鏈路是用於連接HDA控制器(通常是ICH核心邏輯晶片的一部份)和HDA編解碼晶片的五線數位串列介面。HDA鏈路採用了鎖定於HDA控制器提供的24MHz位元時脈(BCLK)的控制器同步位元串流,所有音訊輸入和輸出數據串流都與一個訊框速率固定為48kHz的SYNC訊號同步。

PC中使用的典型HDA系統都能提供5到8個板載類比音訊通道(即支援7.1聲道),並可選擇48到192kHz/24位元類比音訊輸出。一些HDA編解碼器晶片和主板還透過同軸連接器、光連接器或同時透過這兩種連接器提供S/PDIF數位音訊輸入/輸出。另外,音訊子系統的硬體和軟體層設計也更加成熟,降低了與音訊性能相關的突波和丟失出現的概率。

除了原來就支援的多聲道音訊功能外,現代PC音訊系統還必須提供多程式執行功能以用於平行播放。例如,一台家庭娛樂電腦可能在用於廳內播放多聲道環繞音效DVD電影的同時,也由廚房或書房中的另一個使用者播放網際網路視訊共享網站上的聲音訊號。類似的,狂熱的網路遊戲愛好者可能會選擇透過音箱播放遊戲的5.1音訊聲軌,同時又透過輕便的耳機在網際網路上進行即時音訊聊天。

圖2:MPEG環繞音效。
圖2:MPEG環繞音效。

PC音訊子系統設計挑戰

顯然,音訊子系統設計師和程式設計師所面臨的挑戰是如何確保多個平行音訊聲道各司其職、各盡其能,並使系統的設置、除錯和維護更加容易。硬體設計師必須遵循完善的類比設計規格,才能在苛刻的PC環境下保證訊號完整性。

除了選擇音訊編解碼晶片之外,設計師還必須為類比音訊連接器選擇合適的佈線方式、放置位置和類型,並在需要S/PDIF連接器時選擇合適的數位I/O。

編解碼器製造商的佈局說明中,通常都建議從實體上分隔編解碼器晶片的數位介面部份(例如HDA鏈路和S/PDIF連接)與敏感的類比音訊輸入/輸出接腳,以便盡可能減少高頻數位訊號對類比電路的感性串擾。

同樣,選擇正確的輸入輸出音訊隔直電容也可能對電路的低頻性能產生很積極的影響。大多數編解碼器製造商都規定在音訊輸入端要採用等效串聯電阻和電感非常小的X5R電介類MLCC電容,並在輸出端使用容量相對較大的電解電容(>10μF)。只要夠細心,硬體設計師就能在PC環境中設計出真正高解析音訊電路。

作者:Rob Maher

蒙大拿州立大學電子與電腦工程學院





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