基于PIC32 的高质量音频应用设计

在为便携式数字音频设备和其他数字音频源设计音频扩展坞和配件时，设计人员在尝试提供最高质量的音频播放时受到成本的限制。

在典型的坞站和设备附件中，插入设备的数字音频源通过坞站的数据传输接口（例如 USB）发送串行立体声音频数据流。坞站在执行其他关键任务的同时捕获数据流，并以特定的采样率将数据流路由到音频编解码器或数模转换器 (DAC)，如图 1 所示。

图 1 典型音频应用

捕获的立体声音频流通过串行接口流向编解码器或 DAC。由于有许多可能的数字化音频源，并且并非所有源都使用相同的采样率，因此该串行接口通常会根据源调整采样频率或将采样数据流转换为通用数据速率。因此，对接系统或设备附件设计的挑战之一是在不降低音频质量的情况下以尽可能低的成本执行采样率转换。为了应对这些挑战，设计人员通常使用专用的采样率转换电路和/或包含复杂锁相环 (PLL) 的高端音频 DAC，以确保灵活的采样率，以实现采样音频数据的稳定通信。

USB 接口是一种方便的音频数据传输接口。然而，为了满足专业音频的要求，必须解决由于 USB 时钟和编解码器时钟不匹配导致的细微质量损失

本应用笔记探讨了 PIC32 MCU 的可用音频特定功能来满足这些需求。SPI 模块支持不同的标准音频通信模式，并为高质量音频应用提供高位分辨率。PIC32 MCU 灵活的参考时钟输出特性可用于为模拟前端提供主时钟以生成不同的采样率。参考时钟输出还消除了编解码器对外部晶振/振荡器的需要。它还消除了编解码器上对 PLL 的需要。可以调整参考时钟输出以防止由于时钟不匹配而引起的缓冲器欠载和溢出。PIC32 MCU 还为 USB 主机和设备模块提供了灵活的低功耗 PLL 时钟方案。

数字音频数据基础

当模拟音频转换为离散数字格式时，模拟信号的采样频率至少是模拟信号中最高频率分量的两倍或奈奎斯特速率。因此，跨度为 0 到 20 kHz 的音频信号可以以 44.1 kHz 的数据速率进行采样，在这种情况下，这是合适的奈奎斯特速率，以便在转换回模拟域时可以在没有混叠的情况下重建信号。除了采样率，数据位分辨率可以是 16 位或 24 位立体声音频数据。对于光盘 (CD) 质量的音频，标准是 16 位分辨率和 44.1 kHz 采样率。但是，还有更高性能的 CD 音乐选项。一种这样的标准以 24 位分辨率对数据进行编码，并将采样率提高到 96 kHz。对于专业音频，音频文件以每个样本 24 位的分辨率进行编码，这在音频混合和处理时提供了空间。此外，即使使用压缩，分辨率选择也允许在音质与文件大小之间进行权衡。

USB 接口可以轻松处理通过等时传输的高质量音频流。它提供高质量音频的能力非常明显，因为它在许多音频用户中很受欢迎。凭借其普遍的易用性，当与灵活的音频接口打包时，USB 音频可以传输高分辨率和高采样率的音频，抖动可忽略不计。等时数据传输，在其各种其他用途中，用于以恒定速率实时地将音频数据传入和传出源。

立体声音频数据包的大小由音频流的采样率决定，在 USB 全速链路上每 1 毫秒作为 USB 帧的一部分传输。USB 音频还提供对许多控制和处理单元中常见功能的控制，例如音量、音调、增益控制和均衡器。

比特率和采样率的差异要求播放系统或坞站中的硬件能够处理不同速率的数据流。为此，系统必须要么使用更复杂的 DAC，该 DAC 价格昂贵且可以锁相到每个采样率并根据每个播放选项进行自我调整，要么使用带有低成本 DAC 的外部采样率转换器 IC，或者使用在微控制器上运行的算法将所有流转换为标准采样率和比特率，简单的低成本 DAC 可以处理。PIC32 MCU 提供灵活的参考时钟输出和音频模式来满足这些要求，以在保持低设计成本的同时实现高质量音频。以下部分将探讨具有音频模式和灵活参考时钟输出模块的串行接口。

编辑：hfy