硬盤播放器音頻解碼電路的設計

張凱等

摘 要： 為滿足超高清碼流儀高品質的音頻效果需求，設計了一種基于數字音頻接收器CS8416和音頻數/模轉換器CS4398的高性能音頻解碼電路。該解碼電路主要由數字音頻接收電路、立體聲數/模轉換電路、模擬信號調理電路以及開關機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音頻數據的解碼，設計的開關機靜噪電路結構簡單，能有效地抑制開關機時的沖擊噪聲。

關鍵詞： 超高清碼流儀； 音頻解碼； AES/EBU； S/PDIFT

中圖分類號： TN912?34 文獻標識碼： 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類電子產品展覽會（IFA）推出了世界上首臺4K超高清電視（UHDTV）——LM9600[1]。隨后各大企業紛紛推出4K電視，電視發展進入了一個全新的階段。4K電視的發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，可以同時帶動多臺UHDTV。

人們在追求極限分辨率的同時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，還應該擁有強大的音頻解碼能力[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音頻數據的解碼，并具備開關機靜噪功能。該解碼電路采用硬件模式進行配置，結構簡單，可靠性高，成本低廉，可廣泛應用于超高清碼流儀及播放器中。

1 總體方案設計

本文提出的解碼電路結構框圖如圖1所示。設計中采用數字音頻接收器對AES/EBU或S/PDIF音頻數據流進行接收和解碼，同時從音頻流中產生純凈的時鐘信號。解碼后的音頻數據通過I2S總線發送給立體聲數/模轉換器，數/模轉換后，信號調理電路對音頻信號進行低通濾波和差分?單端轉換。最終獲得的高質量模擬電壓信號經開關機靜噪電路后由RCA接口輸出[3]。

2 設計實現

2.1 數字音頻接收電路

根據前節所述的系統設計方案，選用Cirrus Logic公司的數字音頻接收器CS8416進行音頻解碼。該芯片兼容EIAJ CP1201，IEC?60958，AES3和S/PDIF標準，采樣頻率范圍為32～192 kHz。該部分電路如圖2所示。

串行數字音頻信號由RCA接口輸入，經74HC04構成的反相器鏈放大整形后送給CS8416。CS8416對接收到的數據進行解碼轉換，并重建時鐘。解碼后的音頻數據通過I2S總線發送給后續的數/模轉換電路[4]。

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

2.2 立體聲數/模轉換電路

音頻數據的數/模轉換由Cirrus Logic公司的24位、192 kHz立體聲D/A轉換器CS4398實現，CS4398采用Delta?Sigma結構，信噪比為120 dB，總諧波失真+噪聲（THD+N）為-107 dB，D/A轉換電路如圖3所示。

解碼后的I2S音頻數據通過33 Ω緩沖電阻輸入CS4398。CS4398設定為工作在硬件控制模式，其工作狀態由控制引腳的電平決定，CS4398控制引腳的配置如表2所示。

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

2.3 模擬信號調理電路

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

電路中的運算放大器使用低噪聲運放NE5532，U4A及其外圍元件構成一個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]構成的反相電路后經隔直電容輸出至開關機靜噪電路。

2.4 開關機靜噪電路

在系統上電時，由于開關機靜噪電路的延時作用，解碼電路在芯片正常工作后才輸出信號；在系統關機時，開關機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生的噪聲和開關機沖擊噪聲。電路如圖5所示。

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

3 系統測試

系統實物如圖6所示，由于解碼芯片及數/模轉換芯片均工作在硬件控制模式，故在本設計方案中無需繁瑣的軟件設計，簡化了電路結構。

測試時，利用網影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接口與本文設計的解碼電路相連。圖7和圖8分別為解碼后獲得的位時鐘SCLK和串行音頻數據SDATA的波形。

由圖7和圖8可以看出，解碼電路成功實現了S/PDIF格式串行音頻數據的解碼。隨后將該電路接入專業音響系統進行實際試聽，解碼后音質清晰，音色圓潤，在設備反復插拔電試驗中無開關機沖擊噪聲出現。

4 結 語

本文設計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音頻數據的解碼，并具備開關機靜噪功能，能有效地抑制開關機時的沖擊噪聲。該解碼電路的核心芯片均工作在硬件控制模式，簡化了電路結構并降低了設計難度，從而提高了電路可靠性，降低了生產成本，可廣泛應用于高清碼流儀、硬盤播放器、數字機頂盒以及各類視聽設備中。

注：本文通訊作者為王海濱。

參考文獻

[1] 孔彬.4K電視最新發展動態研究[J].廣播與電視技術，2013（11）：18?24.

[2] 耿建平，何學良.基于SMP8653的高清播放機的設計與實現[J].電視技術，2012，36（5）：26?30.

[3] 全浩軍，郭繼昌，張濤.通用音頻解碼器驗證系統設計與實現[J].電子技術應用，2011，37（6）：84?90.

[4] 張瑋，劉宇，薛志遠，等.基于SPI總線的DSP與音頻編解碼芯片的接口設計[J].電子技術應用，2013，39（6）：31?33.

[5] 冀宏斌，羅浩，徐興.基于WM8741的音頻解碼器設計[J].電子設計工程，2009，17（12）：118?120.

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