数字音频工作站中24位音频卡的设计[1].txt

音频工作站提出２４位音频处理卡实现方案

!"%2/030"A6"46A5%645%6%#&’6B27C0/345%6%#&’6&4#’
%#&’
7#&’
#%).:6%"!A!
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7#&’
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%"!A!
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7#&’
图) 串行口信号的连接
步，被转用来标识有效的发送数据时隙，在此不必连
接。!"#$"!# 的串行数据时钟为%#&’，每个音频
采样点为() *+,-（ 包括左右声道，每个声道占用./ 
*+,-），占用()$0(1) 个通道，故当./ 个通道都设置
为有效时，"%2 的一帧中包括3 点的采样， 即"%2 
每帧的频率为!45%61!-$3。多通道方式下，每一帧的
第一位必然对应着采样点的7%8 。如图9 所示。
!"# 模数转换
"%2 通过串口同!"#$"!# 进行音频数据的传
输，考虑到设计的可测性、稳定性，把"%2，!"# 和
"!# 的串口均设为从片=%DEFG> 工作方式，由
B27C0/3 产生时序信号。如图) 所示。
!"%2/030 有/ 个串口，该系统中仅使用串口6 
（%2H4A6）。%2H4A6 有9 个引脚，分别是串行时钟
=%#&’6> 、接收帧同步信号=45%6> 、传送帧同步信号
=A5%6> 、串行数据接收端="46> 、串行数据发送端
="A6> 。为了使"%2 可以判断出!"$"! 中的数据
头，%2H4A6 被设置成多通道方式（ 每个通道对应一
个时隙），占用./ 个通道，每通道设定数据位数0( 
*+,-，./ 个通道的数据块构成"%2 中的一帧。多通
道方式下， 接受和发送数据同步，A5%6 不提供帧同
#%9.:( 采用三阶!" 调制方式，然后进行数字
滤波，免除了外置反混叠滤波器的需要。#%9.:( 的
输入信号为差分信号， 最大时的电压峰峰值为);6 
<= 有效值0;)0) <>，即9;/) ?8@ 。音频处理卡输入信
号的最大电平为/( ?8@，因此在模拟信号的前级接
收部分，应把信号衰减/0 ?8 。音频处理卡采用对称
滤波电路对平衡信号进行滤波，并同时进行衰减。
左右
45%6&4#’
%"!A!#6#0#/#.#)#9#(#C#3#:#06#00#/)#/9#/(#/C#/3#/:#.6#.0
采样点采样点IJ0采样点IJ/采样点IJ(采样点IJC
图9 "%2 的串行口的时序
9( 《电声技术》!""# 年第$ 期总第#%& 期

!"#$"%& ’%(")*%+)#, 节目制作
!"# 数模转换
!"#$%& 采用四阶!" 调制方式，数字滤波后进
行模拟滤波， 这种结构使得对时钟抖动更加鲁棒。
!"#$%& 的输出信号为差分信号，最大时的电压峰峰
值为’()) *+ 有效值, *-。采用二阶巴特沃斯对称滤
波电路对差分信号进行滤波的同时， 可将信号放大
# 倍；通过.. 公司的/0*1$# 后，又可得到) 2. 的
增益。音频卡的最大输出幅度可为1) *+ 有效值-3即
,)($ 2.4，如图) 所示。
LM$#
E)’
$(
$(
)
,’
EH16QL1’/8:KRCL:KRCLM1’/8:M:LH&S!KTH&S!KT1&&&S!KT1&&&S!KT#&U11U1&U1&U#&U11UK58,,,E/0*1$#
图) 二阶巴特沃斯对称滤波电路
$ 设计中应注意的问题
设计的目标是极高的信噪比，因此，设计的工艺
不可忽视。要注意的问题包括很多方面，比如模拟部
分和数字部分的隔离，大面积铺地等。下面仅针对音
频处理卡讨论在设计高品质数字音频电路中应注意
的问题。
$"% 总线瞬时切换
/"5 的6/78 端口支持两种数据读9 写方式，慢
速读9 写+:;<= 0>?2 9 @ABC>-和快速读9 写+"D;AC 0>?2 9 
@ABC>-。其中，慢速读时，6/78 总线会出现上次数据
和当前数据的切换， 这需要总线具有很强的驱动电
流能力，如图E 所示。然而，6/78 总线瞬时切换产
生的电流会在/"5 的一些控制信号中引入噪声，甚
至使得/"5 的运行产生错误。当器件的一个引脚从
高电平切换到低电平时，器件需要吸取电流。当/"5 
驱动6/78 端口，从上次数据（ 且数据中置1 的位较
多）切换到当前的数据（ 且数据中置1 的位较少）时， 
就可能产生相当大的瞬时电流积累， 而系统和器件
内部的对地电阻及对地电感，将会导致/"5 的内部
地电位高于系统地电位， 于是在一些控制信号中引
入噪声。最坏的情况是，数据从&FGGGG 切换到&，如
图H 所示。噪声的幅度和一些系统参数有关，包括总
线电容、系统的对地电阻01 
和对地电感:1
、系统电
源电压。事实上，对于有瞬时数据切换的总线（ 例如， 
总线的地址瞬时切换为数据）， 这种错误很少发生， 
但一个可靠的设计需要考虑到这些问题。
((上次数据当前数据
68!N60/
68/O1’&P
图E 6/78 慢速读周期的部分时序
"
"
"
"
01:&
:10&
.
.
.
.
*!!
*!!
68/1’
68/1#
*!!
*!!
68/&
控制信号噪声
1)
8/"5,1H1
图H 总线快速切换引入的噪声
减少总线快速切换噪声的办法包括减少总线电
容，使得总线储存的能量尽量少，以降低噪声幅度； 
减少器件的对地电阻01 
及对地电感:1； 在总线上
6/78 端口一边串联低阻值电阻， 限制电流的瞬时
注入， 阻值要选取适当， 不要破坏时序， 一般可在
’&I1’& # 之间； 选用引脚的高电平输入门限! 6J 
较
高的芯片，如!7K" 系列，消除噪声的影响。如果输
出数据的总线可以自行设计时， 要尽量避免总线的
瞬时切换，例如，在数据传递前，令总线为高阻状态。
$"! 降低噪声
音频卡模拟部分的电源有L’ * 和L9M1’ *，由
于数字信号的串扰影响， 主机提供的电源不可直接
利用。模拟部分的L’ * 电源由6"8 总线的L1, * 经
EH7&’ 稳压后得到，同样，总线的L1, * 电源经/!9 
’E
《电声技术》!""# 年第$ 期总第#%& 期

节目制作!"#$"%& ’%(")*%+)#, 
-. 变换芯片后变换为模拟部分的/0*#, 1 电源。
-.0-. 中有振荡器， 虽然实现了-.0-. 输入端和
输出端有效隔离，实际上也会产生干扰。用示波器观
测-.0-. 的输出， 可看到周期为#&& 2 的尖峰，恰
好是-.0-. 内部振荡器的频率。用磁珠和电容组
成的滤波网络可进一步减小电源的纹波干扰。隔离图% 感性串扰的示例
开的数字部分和模拟部分的电源0 地层不要相互交表B 音频卡主要性能指标
!$$&&5+
.&R#Z[
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#Z[
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367\/
367\*
叠， 否则会引入耦合， 降低隔离的效果。输出电平最大为/B" 89A 
避免容性串扰。容性串扰是指由相互接近的信动态范围‘#&& 89 
号线之间的电容耦合而引入的噪声， 这种影响可以谐波失真SB& (]aB& 2(]T b&4&&$c 
通过信号线的隔离得到抑制， 比如， 使得数字部分与频率响应SB& (]aB& 2(]T &4&$ 89 
模拟部分的布线、不同级间的布线相互分开， 或者在数据压缩格式KEQR 0 3;8)< 层" 
其间布一条地线。
C参考文献D 
避免回路噪声。回路是指在信号线形成的线圈
C#D 3-!E*B#&& +FA)G@ H>=IJ> KFL;FG4 3LFG<M -=N)O=P 6LO4 
之间的变压器耦合而引入的噪声， 有的线圈是可以CBD 窦维蓓， 刘若珩， 董在望4 单片3-!E 实现KEQR 音频
消除的， 比如确信在相同电气连接的各管脚所形成层"实时编码4 电声技术4 #%%%P S$T：$*,4 
的连通图中不存在环路，可消除不必要的线圈。有的C$D (!6Q( !4 (UH4 3 +F>? V=O;I>)N= 3GM<I)?WA +<I .<AX 
线圈是无法避免的，在此卡中，3-. 芯片.!,$%" 的5;?)LM ?W= -)>OI=?= .<>)L= :IFL>Y<IA4 6QQQ :IFL>FO?)<L 
模拟输入为平衡输入， 差模输入电阻为’4, 2!，手<L 3O<;>?)O>P !5==OWP 3L8 !)MLFG EI<O=>>)LMP #%Z[ 3!X 
!E*$,（#&）：#’,,*#’"#4 册推荐的布线方式中包括在平衡输入端连接$ $&& C’D .!’$%& B’9)?4 !?=I=< -0 3 .<LN=I?=I Y<I -)M)?FG 3;8)<4 
5+ 电容和约#&& ! 电阻（ 见图%）。事实上这里引入
.)II;> \<M)OP 6LO4 #%%Z4 
了线圈，试验中发现，如果电容或电阻的布置远离模C,D .!,$%" #B&89P %"2(] 3;8)< 3 0 -.<LN=I?=I4 .)II;> \<MX 
拟输入367/0*端# 英寸， 将会带来信噪比约’ 89 )OP 6LO4 #%%[4 
的损失。抑制的方法包括，降低负载电阻，减小线圈C"D !?=N=L RI==L4 -=>)ML 7<?=> Y<I F B*E<G= +)G?=I ^)?W -)YX 
面积。该系统主要采取的是后一种方式，即把电容和Y=I=L?)FG 6L5;?4 .)II;> \<M)OP 6LO4 #%%"4 
电阻布置得离平衡输入端尽量接近，减小线圈面积。C[D K)OI<O<L?I<GG=I -=>)ML R;)8=G)L=> Y<I V=8;O)LM 3\Q !)MX 
LFG 7<)>=4 -3\\3! !=A)O<L8;O?<IP 6LO4 #%%%4
另外，对敏感线路进行电磁屏蔽，也可提高信噪比。
CZD ()MW *!5==8 9<FI8 -=>)ML :=OWL)_;=>4 3K-.<A5FL@4 
’ 性能指标#%%[4 
用3:! *# 3;8)< :=>? !@>?=A 测试仪进行测
C收稿日期D "##$%#&%"& 
试，音频卡的主要性能指标如表B 所示。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 
首届国产音响器材“ 双! 评测”结果发布会在成都召开
国产音响器材首届“ 双! 评测”
（ 全称为“ 推荐性专家组音质主观评价和专业化性能客
；
观检测”“ 双!”是“ 专家”和“ 专业化”英文的词头）结果发布会，" 月#$ 日在成都国际会展中
心举行。广东惠威等国内% 家知名音响企业的#& 款’& 余件()*+)
（ 高保真）器材参加了首届
，，
评测，’ 款获“ 五星级”, 款获“ 四星级”# 款获“ 特别推荐奖”。评测结果表明，国产()*+) 音响
知名品牌在客观性能和主观音质方面，已可与同档次进口器材抗衡，但性价比远胜后者。
（ 本刊讯） 
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