云桌面终端产品音频技术白皮书

目录

1    音频技术简介

1.1    音频数字化

1.1.1    采样和采样频率

1.1.2    量化和量化精度

1.1.3    编码和压缩

1.2    音频模块组成

2    常见的音频数字接口

2.1    I2S

2.1.1    概述

2.1.2    信号简介

2.2    HDA

2.2.1    概述

2.2.2    数据流和声道

2.2.3    DMA通道

2.2.4    初始化和枚举

3    音频接口电路设计

3.1    耳机接口电路

3.2    麦克风接口电路

3.3    设计要点

4    音频连接器

4.1    概述

4.2    规格尺寸

4.3    可靠性要求

5    常见音频问题分析

5.1    录音音量偏小问题

5.1.1    增大偏置电压

5.1.2    增大负载电阻RL

6    参考文档

1    音频技术简介

1.1    音频数字化

数字化是计算机应用的基础，音频也不例外。模拟的声音信号只有经过数字化，才能转化为计算机可存储和处理的信息。音频通常采用PCM编码（脉冲代码调制编码），即通过采样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字信号。

1.1.1    采样和采样频率

采样，就是每隔一段时间间隔读一次音频信号的幅度。单位时间内采样的次数称为采样频率。

采样率越高，数字波形的形状越接近原始模拟波形。低采样率会限制可录制的频率范围，这可导致录音表现原始声音的效果不佳或失真。通常人耳可以听到的频率在20Hz到20KHz。根据奈奎斯特定理，为了重现给定频率，采样率必须至少是该频率的两倍。例如，CD 的采样率为44.1kHz，可重现频率为22.05kHz，此频率刚好超过人类的听力极限 20kHz。

1.1.2    量化和量化精度

采样得到的信号虽然在时间轴上是离散的，但仍然是模拟信号。为了实现以数字码表示样值，必须采用“四舍五入”的方法把样值分级取整。这一过程称为量化。

量化后的采样信号与量化前相比，当然有所失真，且不再是模拟信号。这种量化失真在接收端还原模拟信号时表现为噪声，并称为量化噪声。量化噪声的大小取决于把样值分级取整的方式，分的级数越多，可提供的可能幅值更多，动态范围更大；同时量化级差或间隔越小，量化噪声也越小。

量化精度，是指可以将模拟信号分成多少个等级，量化精度越高，音频的声压振幅越接近原声。在二进制世界中，也可以理解为用多少个二进制位来表示每一个采样值（也称为量化位数、采样深度等）。

1.1.3    编码和压缩

量化后的采样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值，且信号正、负幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等，正、负向的量化级对称分布。若将有限个量化样值的绝对值从小到大依次排列，并对应地依次赋予一个十进制数字代码（例如，赋予样值0的十进制数字代码为0），在码前以“+”、“－”号来区分样值的正、负，则量化后的采样信号就转化为按采样时序排列的一串十进制数字码流，即十进制数字信号。而计算机能够直接处理的数据系统是二进制编码系统，因此，应将十进制数字代码变换成二进制编码。根据十进制数字代码的总个数，可以确定所需二进制编码的位数，即字长。这种把量化的采样信号变换成给定字长的二进制码流的过程就称为编码。常见的编码方式为PCM。

而为了降低传输或存储的费用，必须对数字音频信号进行编码压缩。 以Windows系统中常见的WAV音频文件为例，采样频率44.1kHz，量化位数16位，双声道，则一分钟音频所需要的存储量为44.1*16*2*60/8/1000=10.584（MB）。可见十分耗费硬盘存储空间，因此，才会出现各种音频压缩编/解码技术。数字音频编码压缩的目的是在不影响人们使用的情况下尽量减少数字音频的数据量。

总之，数字化音频的过程始于空气中的压力波。麦克风将此压力波转换为电压变化，声卡将这些电压变化转换为数字采样。在模拟声音变成数字音频之后，计算机就可以进行录制、编辑、处理和混音等各种操作，实现各种可能性。

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