硬盤播放器音頻解碼電路的設(shè)計(jì)

張凱等

摘 要： 為滿足超高清碼流儀高品質(zhì)的音頻效果需求，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字音頻接收器CS8416和音頻數(shù)/模轉(zhuǎn)換器CS4398的高性能音頻解碼電路。該解碼電路主要由數(shù)字音頻接收電路、立體聲數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路、模擬信號調(diào)理電路以及開關(guān)機(jī)靜噪電路四部分組成。最高支持24位、192 kHz采樣頻率的AES/EBU和S/PDIF音頻數(shù)據(jù)的解碼，設(shè)計(jì)的開關(guān)機(jī)靜噪電路結(jié)構(gòu)簡單，能有效地抑制開關(guān)機(jī)時(shí)的沖擊噪聲。

關(guān)鍵詞： 超高清碼流儀； 音頻解碼； AES/EBU； S/PDIFT

中圖分類號： TN912?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0077?03

Design of an audio decoding circuit for hard disk player

ZHANG Kai， WANG Hai?bing， YI Peng?fei， TANG Zan， GAN Feng?ping

（School of Electrical and Information Engineering， Xihua University， Chengdu 610039， China）

Abstract： To satisfy the high quality audio requirement of ultra high definition （UHD） code stream instruments， a high performance audio decoding circuit based on digital audio receiver CS8416 and audio digital?to?analog （D/A） converter CS4398 is proposed. The circuit is mainly comprised of digital audio receiving circuit， stereo D/A conversion circuit， analog signal conditioning circuit and mute circuit. The decoder can support the decoding of AES/EBU and S/PDIF audio data （up to 24 bits and 192 kHz）. The structure of the proposed mute circuit is simple， and the clicks and pops during switch can be restrained effectively.

Keywords： UHD code stream instrument； audio decoding； AES/EBU； S/PDIF

0 引 言

LG電子在2012年德國柏林國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會（IFA）推出了世界上首臺4K超高清電視（UHDTV）——LM9600[1]。隨后各大企業(yè)紛紛推出4K電視，電視發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。4K電視的發(fā)展離不開片源的支持，這就促使了超高清碼流儀的誕生。最新的超高清碼流儀可以看作是超高清播放器和HDMI分配器的組合，其不僅支持高碼率視頻解碼還具備多路HDMI輸出，可以同時(shí)帶動多臺UHDTV。

人們在追求極限分辨率的同時(shí)也對電視的音效提出了更高的要求，超高清碼流儀除了具備輸出高分辨率視頻信號的功能外，還應(yīng)該擁有強(qiáng)大的音頻解碼能力[2]。針對這種情況，本文提出一種用于超高清碼流儀的音頻解碼電路。最高支持24位、192 kHz采樣頻率的AES/EBU或S/PDIF音頻數(shù)據(jù)的解碼，并具備開關(guān)機(jī)靜噪功能。該解碼電路采用硬件模式進(jìn)行配置，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，成本低廉，可廣泛應(yīng)用于超高清碼流儀及播放器中。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文提出的解碼電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。設(shè)計(jì)中采用數(shù)字音頻接收器對AES/EBU或S/PDIF音頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行接收和解碼，同時(shí)從音頻流中產(chǎn)生純凈的時(shí)鐘信號。解碼后的音頻數(shù)據(jù)通過I2S總線發(fā)送給立體聲數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，數(shù)/模轉(zhuǎn)換后，信號調(diào)理電路對音頻信號進(jìn)行低通濾波和差分?單端轉(zhuǎn)換。最終獲得的高質(zhì)量模擬電壓信號經(jīng)開關(guān)機(jī)靜噪電路后由RCA接口輸出[3]。

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)字音頻接收電路

根據(jù)前節(jié)所述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，選用Cirrus Logic公司的數(shù)字音頻接收器CS8416進(jìn)行音頻解碼。該芯片兼容EIAJ CP1201，IEC?60958，AES3和S/PDIF標(biāo)準(zhǔn)，采樣頻率范圍為32～192 kHz。該部分電路如圖2所示。

串行數(shù)字音頻信號由RCA接口輸入，經(jīng)74HC04構(gòu)成的反相器鏈放大整形后送給CS8416。CS8416對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)換，并重建時(shí)鐘。解碼后的音頻數(shù)據(jù)通過I2S總線發(fā)送給后續(xù)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路[4]。

在本設(shè)計(jì)中，CS8416工作在硬件控制模式，故SDOUT通過47 kΩ電阻下拉至地。芯片復(fù)位后，CS8416通過檢測各控制引腳的電平以確定工作狀態(tài)。芯片控制引腳的配置如表1所示[5]。

2.2 立體聲數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路

音頻數(shù)據(jù)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換由Cirrus Logic公司的24位、192 kHz立體聲D/A轉(zhuǎn)換器CS4398實(shí)現(xiàn)，CS4398采用Delta?Sigma結(jié)構(gòu)，信噪比為120 dB，總諧波失真+噪聲（THD+N）為-107 dB，D/A轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

解碼后的I2S音頻數(shù)據(jù)通過33 Ω緩沖電阻輸入CS4398。CS4398設(shè)定為工作在硬件控制模式，其工作狀態(tài)由控制引腳的電平?jīng)Q定，CS4398控制引腳的配置如表2所示。

圖3中，R6，R7，R12～R14和Q1，Q2構(gòu)成靜音電路，以降低無關(guān)噪聲和提高信噪比。由于左右聲道信號的處理電路相同，故在本節(jié)和下節(jié)中以左聲道電路為例進(jìn)行闡述。

2.3 模擬信號調(diào)理電路

模擬信號調(diào)理電路對數(shù)/模轉(zhuǎn)換后得到的模擬音頻信號進(jìn)行低通濾波和差分?單端轉(zhuǎn)換，以消除共模誤差和降低Delta?Sigma調(diào)制器產(chǎn)生的帶外噪聲[6]，電路如圖4所示。

電路中的運(yùn)算放大器使用低噪聲運(yùn)放NE5532，U4A及其外圍元件構(gòu)成一個(gè)差分輸入的二階巴特沃斯低通濾波器，濾波后信號通過由U4B和[R19，][R23]構(gòu)成的反相電路后經(jīng)隔直電容輸出至開關(guān)機(jī)靜噪電路。

2.4 開關(guān)機(jī)靜噪電路

在系統(tǒng)上電時(shí)，由于開關(guān)機(jī)靜噪電路的延時(shí)作用，解碼電路在芯片正常工作后才輸出信號；在系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)，開關(guān)機(jī)靜噪電路迅速切斷信號輸出線路，由此消除在芯片啟動過程中產(chǎn)生的噪聲和開關(guān)機(jī)沖擊噪聲。電路如圖5所示。

220 V交流電經(jīng)降壓、整流和濾波后供給繼電器K1的線圈，由于繼電器線圈同時(shí)具有電阻和電感特性，相當(dāng)于增加了一級濾波，故雖然[C34]的容值較小，但繼電器也能獲得較穩(wěn)定的工作電壓，這也為關(guān)機(jī)時(shí)的迅速放電奠定了基礎(chǔ)。在系統(tǒng)上電時(shí)，待電源芯片正常工作后[R10]才能獲得+5 V的供電，Q3才會導(dǎo)通，繼而繼電器吸合，音頻信號輸出線路接通。在關(guān)機(jī)時(shí)，由于[C34]的容值較小，繼電器線圈迅速放電，繼電器觸點(diǎn)快速斷開，音頻信號輸出線路切斷，由此實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)靜噪的功能。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示，由于解碼芯片及數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片均工作在硬件控制模式，故在本設(shè)計(jì)方案中無需繁瑣的軟件設(shè)計(jì)，簡化了電路結(jié)構(gòu)。

測試時(shí)，利用網(wǎng)影K8超高清碼流儀作為信號源，S/PDIF音頻信號從其主板引出，通過RCA接口與本文設(shè)計(jì)的解碼電路相連。圖7和圖8分別為解碼后獲得的位時(shí)鐘SCLK和串行音頻數(shù)據(jù)SDATA的波形。

由圖7和圖8可以看出，解碼電路成功實(shí)現(xiàn)了S/PDIF格式串行音頻數(shù)據(jù)的解碼。隨后將該電路接入專業(yè)音響系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際試聽，解碼后音質(zhì)清晰，音色圓潤，在設(shè)備反復(fù)插拔電試驗(yàn)中無開關(guān)機(jī)沖擊噪聲出現(xiàn)。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種適用于超高清碼流儀的高解析度音頻解碼電路，最高支持24位、192 kHz采樣頻率的AES/EBU和S/PDIF音頻數(shù)據(jù)的解碼，并具備開關(guān)機(jī)靜噪功能，能有效地抑制開關(guān)機(jī)時(shí)的沖擊噪聲。該解碼電路的核心芯片均工作在硬件控制模式，簡化了電路結(jié)構(gòu)并降低了設(shè)計(jì)難度，從而提高了電路可靠性，降低了生產(chǎn)成本，可廣泛應(yīng)用于高清碼流儀、硬盤播放器、數(shù)字機(jī)頂盒以及各類視聽設(shè)備中。

注：本文通訊作者為王海濱。

參考文獻(xiàn)

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[6] GREEN Steven. Design notes for a 2?pole filter with differential input [EB/OL]. [2012?10?29]. http：// www.eettaiwan.com.