基于PIC32 的高質(zhì)量音頻應(yīng)用設(shè)計

在為便攜式數(shù)字音頻設(shè)備和其他數(shù)字音頻源設(shè)計音頻擴展塢和配件時，設(shè)計人員在嘗試提供最高質(zhì)量的音頻播放時受到成本的限制。

在典型的塢站和設(shè)備附件中，插入設(shè)備的數(shù)字音頻源通過塢站的數(shù)據(jù)傳輸接口（例如 USB）發(fā)送串行立體聲音頻數(shù)據(jù)流。塢站在執(zhí)行其他關(guān)鍵任務(wù)的同時捕獲數(shù)據(jù)流，并以特定的采樣率將數(shù)據(jù)流路由到音頻編解碼器或數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，如圖 1 所示。

圖 1 典型音頻應(yīng)用

捕獲的立體聲音頻流通過串行接口流向編解碼器或 DAC。由于有許多可能的數(shù)字化音頻源，并且并非所有源都使用相同的采樣率，因此該串行接口通常會根據(jù)源調(diào)整采樣頻率或?qū)⒉蓸訑?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為通用數(shù)據(jù)速率。因此，對接系統(tǒng)或設(shè)備附件設(shè)計的挑戰(zhàn)之一是在不降低音頻質(zhì)量的情況下以盡可能低的成本執(zhí)行采樣率轉(zhuǎn)換。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，設(shè)計人員通常使用專用的采樣率轉(zhuǎn)換電路和/或包含復(fù)雜鎖相環(huán) (PLL) 的高端音頻 DAC，以確保靈活的采樣率，以實現(xiàn)采樣音頻數(shù)據(jù)的穩(wěn)定通信。

USB 接口是一種方便的音頻數(shù)據(jù)傳輸接口。然而，為了滿足專業(yè)音頻的要求，必須解決由于 USB 時鐘和編解碼器時鐘不匹配導(dǎo)致的細微質(zhì)量損失

本應(yīng)用筆記探討了 PIC32 MCU 的可用音頻特定功能來滿足這些需求。SPI 模塊支持不同的標準音頻通信模式，并為高質(zhì)量音頻應(yīng)用提供高位分辨率。PIC32 MCU 靈活的參考時鐘輸出特性可用于為模擬前端提供主時鐘以生成不同的采樣率。參考時鐘輸出還消除了編解碼器對外部晶振/振蕩器的需要。它還消除了編解碼器上對 PLL 的需要?？梢哉{(diào)整參考時鐘輸出以防止由于時鐘不匹配而引起的緩沖器欠載和溢出。PIC32 MCU 還為 USB 主機和設(shè)備模塊提供了靈活的低功耗 PLL 時鐘方案。

數(shù)字音頻數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

當(dāng)模擬音頻轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字格式時，模擬信號的采樣頻率至少是模擬信號中最高頻率分量的兩倍或奈奎斯特速率。因此，跨度為 0 到 20 kHz 的音頻信號可以以 44.1 kHz 的數(shù)據(jù)速率進行采樣，在這種情況下，這是合適的奈奎斯特速率，以便在轉(zhuǎn)換回模擬域時可以在沒有混疊的情況下重建信號。除了采樣率，數(shù)據(jù)位分辨率可以是 16 位或 24 位立體聲音頻數(shù)據(jù)。對于光盤 (CD) 質(zhì)量的音頻，標準是 16 位分辨率和 44.1 kHz 采樣率。但是，還有更高性能的 CD 音樂選項。一種這樣的標準以 24 位分辨率對數(shù)據(jù)進行編碼，并將采樣率提高到 96 kHz。對于專業(yè)音頻，音頻文件以每個樣本 24 位的分辨率進行編碼，這在音頻混合和處理時提供了空間。此外，即使使用壓縮，分辨率選擇也允許在音質(zhì)與文件大小之間進行權(quán)衡。

USB 接口可以輕松處理通過等時傳輸?shù)母哔|(zhì)量音頻流。它提供高質(zhì)量音頻的能力非常明顯，因為它在許多音頻用戶中很受歡迎。憑借其普遍的易用性，當(dāng)與靈活的音頻接口打包時，USB 音頻可以傳輸高分辨率和高采樣率的音頻，抖動可忽略不計。等時數(shù)據(jù)傳輸，在其各種其他用途中，用于以恒定速率實時地將音頻數(shù)據(jù)傳入和傳出源。

立體聲音頻數(shù)據(jù)包的大小由音頻流的采樣率決定，在 USB 全速鏈路上每 1 毫秒作為 USB 幀的一部分傳輸。USB 音頻還提供對許多控制和處理單元中常見功能的控制，例如音量、音調(diào)、增益控制和均衡器。

比特率和采樣率的差異要求播放系統(tǒng)或塢站中的硬件能夠處理不同速率的數(shù)據(jù)流。為此，系統(tǒng)必須要么使用更復(fù)雜的 DAC，該 DAC 價格昂貴且可以鎖相到每個采樣率并根據(jù)每個播放選項進行自我調(diào)整，要么使用帶有低成本 DAC 的外部采樣率轉(zhuǎn)換器 IC，或者使用在微控制器上運行的算法將所有流轉(zhuǎn)換為標準采樣率和比特率，簡單的低成本 DAC 可以處理。PIC32 MCU 提供靈活的參考時鐘輸出和音頻模式來滿足這些要求，以在保持低設(shè)計成本的同時實現(xiàn)高質(zhì)量音頻。以下部分將探討具有音頻模式和靈活參考時鐘輸出模塊的串行接口。

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