基于WM8741的音頻解碼器設(shè)計(jì)

摘要：介紹高性能音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器件WM8741的基本特性。設(shè)計(jì)一種基于WM8741及數(shù)字音頻接收器件CS8416的音頻解碼電路，并給出CS8416與WM8741的接口設(shè)計(jì)。該解碼器由數(shù)字音頻接收、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及模擬信號(hào)調(diào)理等模塊組成，最高支持字長為24位、頻率為192 kHz的數(shù)字音頻信號(hào)輸入。
關(guān)鍵詞：音頻解碼；數(shù)模轉(zhuǎn)換；WM8741；CS8416；I2S

1 引言
    音頻解碼器廣泛應(yīng)用于日常生活中。不同應(yīng)用場合對(duì)音頻解碼器性能的要求差異很大。而影響音質(zhì)的因素有多種，如音頻編碼格式、傳輸方式、編解碼器件的性能等。數(shù)模轉(zhuǎn)換是解碼電路的關(guān)鍵部分，其性能高低直接影響聲音回放質(zhì)量。為了獲得高質(zhì)量的模擬聲音信號(hào)，這里設(shè)計(jì)一種基于高性能立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器WM8741的音頻解碼器設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)支持高達(dá)24位、192 kHz的數(shù)字音頻信號(hào)解碼，還支持其他多種速率的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字音頻信號(hào)的輸入。

2 WM8741簡介
    WM8741是Wolfson微電子公司生產(chǎn)的一款針對(duì)高端音頻應(yīng)用的高性能立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可應(yīng)用于專業(yè)音頻系統(tǒng)、家庭影院、A／V接收設(shè)備、CD／DVD播放器等。其內(nèi)部具有抖動(dòng)數(shù)字內(nèi)插值濾波器、精細(xì)分辨率音量控制和數(shù)字去加重功能、1個(gè)多比特∑-△調(diào)制器以及帶有差動(dòng)電壓輸出的開關(guān)電容多位電路級(jí)。特有的可編程配置的高級(jí)數(shù)字濾波器允許用戶靈活選擇群延時(shí)、相位延遲、脈沖響應(yīng)等。音頻輸入接口支持I2S、Left-justifted、Right-justified和DSD格式。當(dāng)以PCM信號(hào)輸入時(shí)，器件能夠接收字長度16～32位，采樣轉(zhuǎn)換速率32～192 kHz。該器件具有硬件和軟件兩種控制方式，并通過外部引腳進(jìn)行切換選擇。軟件控制模式下，外部CPU通過2線或3線方式訪問其內(nèi)部所有寄存器并設(shè)置參數(shù)。WM8741的信噪比達(dá)128 dB(單聲道)，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)125 dB，通道分離度達(dá)130 dB，電源抑制比可達(dá)-80 dB(100 mVpp，l kHz)。轉(zhuǎn)換后的模擬電壓采用差動(dòng)方式輸出。WM8741的數(shù)字部分的供電電壓為3．0～3．6 V，額定工作電壓為3．3 V；模擬部分的工作電壓為4．5～5．5 V．額定工作電壓為5．0 V。該器件采用28引腳SSOP封裝。

3 解碼器硬件設(shè)計(jì)
3．1 硬件組成
    圖1是該解碼器硬件結(jié)構(gòu)框圖，其中數(shù)字音頻接收器采用Cirrus Logic公司的高速數(shù)字音頻接收器CS8416，該器件支持包括S／PDIF在內(nèi)的多種音頻輸入，取樣頻率范圍為32～192 kHz。CS8416通過I2S接口與WM8741相連接。I2S總線只處理音頻數(shù)據(jù)，其他控制信號(hào)必須單獨(dú)傳輸。CS8416的工作原理：接收器把接收到的S／PDIF格式的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)換，同時(shí)重建音頻數(shù)據(jù)中的時(shí)鐘并提供給后續(xù)WM8741，音頻數(shù)據(jù)則通過I2S總線接口發(fā)送給WM8741。WM8741按照設(shè)定的參數(shù)完成數(shù)模轉(zhuǎn)換后，再以差分形式輸出左右通道的模擬音頻信號(hào)，并經(jīng)低通濾波器濾除高頻諧波噪聲，最終得到高質(zhì)量模擬電壓信號(hào)。如果輸出接口為RCA，還需將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)。

3．2 數(shù)字音頻信號(hào)接收模塊
    CS8416是數(shù)字音頻信號(hào)接收電路的核心。在軟件控制方式下，MCU通過SPI或I2C接口沒置參數(shù)。該方式還可靈活更改內(nèi)部配置。在無MCU時(shí)則通過硬件控制方式改變其特定引腳電平實(shí)現(xiàn)控制。由于本系統(tǒng)中無MCU，因此采用硬件控制方式。在SDOUT引腳上用一只47 kΩ電阻下拉至地即可，且引腳AUDIO、RCBL、U、C等不能懸空，必須通過一只47 kΩ電阻上拉至高電平或下拉至低電平，以便系統(tǒng)復(fù)位后，CS8416通過檢測這些引腳電平?jīng)Q定其工作狀態(tài)。表1為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制引腳的配置。

     CS8416具有多個(gè)可選的音頻輸入接口。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是將CS8416的引腳RXSEL1接高電平，引腳RXSEL0接地，選擇引腳RXP3作為音頻數(shù)據(jù)輸入接口。音頻時(shí)鐘重建通過片上的鎖相環(huán)(PLL)實(shí)現(xiàn)，該鎖相環(huán)不需要過多地改變外部元件即可在很大范圍內(nèi)鎖定輸入音頻數(shù)據(jù)中的取樣頻率Fs。但外接電阻電容組成的濾波電路也會(huì)影響其頻率變化范圍。為了獲得一個(gè)低抖動(dòng)的重建時(shí)鐘，外接濾波器的電阻電容值如圖2所示。

3．3 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊
    WM874l的I2S輸入接口與CS8416的輸出連接時(shí)中間加入100 Ω電阻進(jìn)行緩沖，如圖2所示。WM874l設(shè)定硬件控制模式，即通過特定引腳的上拉或下拉狀態(tài)決定其工作狀態(tài)，且所有上拉或下拉的電阻均為10 kΩ。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的WM8741控制引腳設(shè)置如表2所示。

    WM874l內(nèi)部的主時(shí)鐘檢測電路自動(dòng)確定主時(shí)鐘MCLK與采樣時(shí)鐘LRCLK關(guān)系，并確定最終采樣速率。盡管WM8741允許MCLK有一定的相位延遲和抖動(dòng)，但設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)盡量使MCLK與LRCLK同步。數(shù)模轉(zhuǎn)換完成后，引腳VOULP、VOULN輸出左聲道的差分模擬電壓信號(hào)，引腳VOURP、VOURN輸出右聲道的差分模擬電壓信號(hào)。WM8741數(shù)字電路部分工作電壓為3．3 V，模擬部分電源電壓為5 V。所有電源引腳都連接一只10μF鉭電容和一只0．1μF陶瓷電容進(jìn)行去耦濾波。數(shù)字地與模擬地之間通過一個(gè)磁珠連接，以減弱干擾。
3．4 模擬信號(hào)調(diào)理模塊
    WM8741輸出的模擬信號(hào)中夾雜高次諧波分量，因此需經(jīng)低通濾波濾除高頻噪聲，進(jìn)而得到較為純凈的模擬信號(hào)。濾波電路采用LM4562型運(yùn)算放大器。對(duì)于數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，在D／A轉(zhuǎn)換器的后面需采用3階濾波器才能達(dá)到防混疊要求。由LM4562外加電阻電容組成的三階巴特沃斯低通濾波器，如圖3所示。濾波器是單位增益，通頻帶內(nèi)平坦度好。經(jīng)濾波后的信號(hào)可直接作為解碼器的平衡信號(hào)輸出。當(dāng)以RCA接口輸出時(shí)，還需把差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，該轉(zhuǎn)換電路是由一片LM4562組成的差動(dòng)放大電路。單端信號(hào)經(jīng)一只10μF的隔直電容輸出到RCA接口。LM4562采用單獨(dú)的±12 V電源供電。

3．5 設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題
    繪制PCB時(shí)應(yīng)注意合理布局，數(shù)字元件與模擬元件應(yīng)分開放置。CS8416的鎖相環(huán)的外部濾波電阻電容的布局會(huì)影響到音頻時(shí)鐘重建的質(zhì)量，電容應(yīng)盡量靠近FILT引腳放置，且最好在同一平面上，附近最好不要有過孔。

4 結(jié)束語
    設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有24位、192 kHz的采樣率的數(shù)字音頻解碼器。該解碼器無需MCU控制，電路簡單、穩(wěn)定性高。但由于采用硬件控制模式，電路配置具有一定局限性。如果要進(jìn)一步增加其功能可增加一片MCU，采用軟件控制模式，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作。WM8741優(yōu)異性能使該解碼器輸出具有較高的動(dòng)態(tài)范圍，極低的噪聲，可應(yīng)用于不同的音頻產(chǎn)品。