支持线路录音的USB声卡设计剖析

支持线路录音的USB声卡设计剖析 功能完善的USB声卡在音频方面应 该是与内置声卡功能一样的,即除了播放 功能外,应该同时支持话筒和线路输入. 目前,从应用上说,USB声卡集成电路有 USB耳机,USB网络电话(VolP),USB (编)解码器,USBDAC,USB播放设备, USB录放设备等多种类型,主要区别就 是录音功能上的差别:是否具备录音功 能,是否具备话筒录音功能,是否具备线 路录音功能(线路输入).除此之外,为了 改善VolP的通话质量,是否具备完善的 回声消除(消除话筒与扬声器之间的干扰 以获得清晰的语音通讯能力)功能也是重 要的一个方面. 一 ,UAC3556B简介 UAC35568属于UAC355x8系歹0, UAC355X8是德国Micronas公司推出 的系列USB音频单片集成电路,包括三 个引脚功能兼容的型号: UAC3554B:USB耳机(headset),支 持外部配置和插件程序,不支持外部固 件; UAC35558:USB编解码器(codec) ,支持外部配置和插件程序,不支持外部 固件; UAC35568:USB编解码器,增强 型,片上额外集成了8kRAM(Random AccessMemory随机存取存贮器),除了 支持外部配置和插件程序,还支持外部固 件. UAC355xB系列在USB声卡,USB 耳机产品的应用,就目前所知的资料来 看,UAC35568的应用似乎更为广泛,为 CS(反恐精英,一款战略类游戏)游戏玩 家所熟悉的DSP500就是其中之一,一 款被认为是最适合CS游戏玩家的高端 USB耳机.UAC355xB系列的音频处理 与控制主要是基于硬件,片上集成了 RAM和ROM(ReadOnlyMemory只读 存储器),音频处理与控制主要由集成的 话筒输入 线路 输入. 驻极体 话筒偏置 吴红奎 硬件以及固件完成,专用驱动程序主要是 为了补充和丰富操作系统自带的 USB音频控制面板,因此UAC355X8系 列的驱动的通用性很强,很多公开的资料 表明,DSP500的驱动可以适用于很多厂 振荡器 和 锁相环 输I广一 入l_J2通 选nADC 择lL HIC偏置 电源供应 电源调整 基准电压 微处理器 USB界面 1/oIt. 附g. 音频 控制界面 音频流 控制界面 压缩格式 音频输出 GPl0 ConttoI l,o 12C 音频处理单元(APU)Hl2s 3通道DAc 二[二[二[ 模拟音频滤波暑 二[=[=[ 模拟音量调整 重低音LR 输出线路输出 耳机输出 RD ^DRGPIo1O m协协盯百丽2ll黧一 ll 表1UAC355xB的GPIO端口功能表 GPlO0音量+与左边相同 GPlO1音量一与左边相同 GPlO2静音开/关,触发方式与左边相同 GPlO3低音增强开/关,触发模式与左边相同 GPIO4下一首MIC静音 GP{O5上一首HJD—Report开/关(1为开) GPlO6停止未定义 GPlO7播放暂停MICAGC开/关(1为开) GPlO8未定义未定义 GPlO9未定义未定义 GPlO10未定义扬声器静音LED指示 GPlO11未定义话筒静音指示(2Hz闪烁) 家生产的各种型号的 采用UAC3556B的 USB声卡.所谓固件 (mware),就是用 来管理下载(读取)和 存放硬件运行所需要 的软件及其相应的存储器,和嵌入式应用 有相似之处,只是硬件运行的软件可以被 反复下载和编程.因为支持固件, UAC35568就不单单支持对音频控制面 板外观的改变了,通过驱动,只要 UAC3556B支持,它所有的控制功能和 一一无引脚I~{IQFN封装有引脚的QFP扁平封装 表2UAC3556B及UAC355xB的重要技术规格参数 THD+N-90dB输出DAC SNR(信噪比)96dB 输出阻抗L/R:推荐320,最小160;重低音:?1Ok0 输出电平L/R线路:3.2Vp—P;重低音:3.1Vp—P 模拟输出(总线电源)THD(A一计权)一93d8(音量0d8,RL?10kQ,BW=20—22kHz) SNR(A一计权)95dB(音量0dB,RL?1Ok0,BW=20—22kHz) 线路输出功率17mW(音量0dB,RL?160) THD+N-90dB输入ADC SNR(信噪比)92dB 模拟输入限幅L/R线路:3,2Vp—P;话筒:370mVp—P' 低音控制范围?12dB基本音频控制 高音控制范围?12dB 调节范围?6dB 图示均衡器中心频率50Hz一15kHz可编程 滤波器Q值053 转折频率50—400Hz可编程,默认90Hz 衰减曲线特性陡峭,一般,平滑,比较平滑可选,默认为陡峭 重低音三阶高通滤波器 插入方式(1),不插入(关闭);(2),L/R分别插入;(3),从L/R中减去重低音信号可选;默 认为(3) 增益调节一60一+12dB(相对于主通道),默认为0dB 动态扩展关闭一最大,默认为关(MB关),中等(MB开) 和声调节0—100%,默认为0(MB关),50%(MB开)MB低音增强 中心频率20—300Hz,默认为90Hz 限幅控制一32—0dBFS,默认为0dBFSI无限带0) 2kbits配置(包括VID和PID) 4—32kbits配置,插件程序EEPROM支持规格 64kbits配置,(复位需要重新载入的)固件,仅3556B 128kbits配置,固件,插件程序,仅UAC3556B 片上RAM基本:2kbits,UAC3556B增加了8kbits 片上ROM12kbits /双通道,24b_t双通道(仅35548)音频格式支持 播放16bit单 录音8bit双通道,16bit单/双通道,3554B仅16bit单通道 TA(T作环境温度)0—70? 电源5.0V,范围4.1—56V PSRR(电源电压抑制比)>95dB(模拟输出) GPtO端口输出电流1mA,8mA可选 昧 害I 37 誊 第 参数设置都可以量身定制,这可能也是 UAC3556B被高端设备制造商青睐的原 因之一. UAC355xB系列的另一个主要特点 是集成了功能丰富的重低音功能,包括一 个独立的DAC输出通道,四种供用户灵 活选择的拐点(低通滤波器的转折频率) 衰减特性曲线,插入方式可设定的附加的 三阶高通滤波器,具体参数设定见表2. 同时,为了改善重低音效果,Micronas公 司还开发了一种被称之为MB(TheMi— cronasBassalgorithm)的低音增强技术, 以改善小口径扬声器以及耳机在低频段 的表现.MB位于重低音通道中,可以看 做是重低音处理单元的增强和补充,如果 重低音通道被关闭,MB也可以插入L/R 主通道中,改善声音的低频表现和进行动 态扩展. MB对重低音的改善包括两个方面: 一 是低音动态扩展:由带有自动限幅功能 的低频段音频压缩/扩展电路组成,自动 限幅电路为了避免后级放大器出现削波 过载:二是和声控制:原理是源于一个有 趣的听学心理学现象:在声音信号中人为 加入比扩音系统的低频转折频率更低的 相邻频率成分,虽然这些信号已经超出了 扩声系统(如放大器的带宽,音箱等)的下 限,但听音者仍然能够感觉到这种声音的 存在,感觉这种声音更丰满,这种现象称 为和声(harmonics)o 音频压缩/扩展电路曾一度风行,对 改善低动态音源的动态范围有明显效果, 如磁带,LP唱片等,专用的音频动态压缩 /扩展集成电路NE571,NE572等曾经为 很多爱好者所熟悉和追捧.动态压扩的原 理是利用压控振荡器根据音源信号振幅 (电平)的变化动态来调节放大器的增益, 使音源信号的电平"低者更低,高者更 高",从而实现动态范围的"扩大".如果 "录音"和"放音"过程能够结合起来,这种 技术的效果就会比较好,如唱片时代的 RMAA均衡,磁带录放中的杜比A等.音 频压缩/扩展不可避免会带来一定失真, 信号处理过程中还会带来延时,随着录, 放系统保真水平的逐渐提高,压/扩技术 已经逐渐淡出了.如今,Micronas将这种 技术单独用于低频段,用于改善小口径扬 声器,耳机的表现,算是不错的创意,如果 你不喜欢,可以通过软件关闭,通过软件, MB还可以进行灵活控制.大概是考虑到 MB调节比较复杂,Micronas公司还提 供专门的帮助文档,MB的基本调节见表 2o UAC355xB系列12S方式的数字音 频/输入输出,同时还支持压缩格式的数 字音频输出,通过12C总线则可以实现更 丰富的控制功能,这些不但为设计工程师 的设计提供了很大的弹性,也为爱好者提 供了DIY的空间. 图1是UAC355xB系列的内部电路 框图,从图中可以看出它的GPlO端口比 较多,这些端口的功能设置参见表1,未 定义的端口是留给设计工程师自己去定 义的,UAC355xB的所有控制功能片内已 有默认设置,要重新la主设定需要通过片 外的EEPROM(erasableprogrammable readonlymemory,电可擦除只读存储 器),与EEPROM的连接通过12C总线实 现. UAC355xB有两种封装形式,如图2 所示,一种是无引脚的QFN封装,Mi— cronas公司的封装名称是PQFN64,P是 塑料封装的意思,定购代号是XK,外形尺 寸是9mmX9mmX0.85mm:另一种是 有引脚的QFP扁平封装,Micronas公司 的封装名称是PMQFP64,定购代号是 Ql,外形尺寸是1Omm×1Omm×2mm. 两种封装形式的引脚排列相同. 更多的特性将结合下文中的应用电 路来说明,表2列出了UAC355×B的主 要技术规格参数,也同时列出了 UAC355xB系列中三个型号的主要的具 体差别. 二,基本应用电路 图3是UAC3556B的一个实用电 路,由于集成了比较多的GPlO端口, UAC3556B的引脚多达64个,不过对于 基本应用,有将近一半的引脚是空闲或者 接地的,所以图3的基本应用电路显得并 不复杂.图3中,默认情况下线路输入和 线路输出有效,线路输入和话筒输入的转 换是自动的,由UAC3556B的GPIQ6(22 脚)通过与话筒输入插座联动的开关la动 感知,由图1所示的UAC3556B的内部 电路框图可知,话筒输入有独立的前置放 大器,由选择开关选择,DAC是共用的. 输出通道同样,耳机插入感知由GPfO5 (23脚)实现,UAC3556B内部的耳机放大酵 器也是可控的,线路输出状态,耳机放大毫I 器被转换为一个缓冲放大器.因为集成了 专门的APU(AudioProcessingUnit,音t_- 频处理单元),所有的音频处理都是基于39 硬件的,USB总线只是完成收/发,传输下 宁 豪 功能,对USB总线的速度和优先级的要 求就降低了.众所周知,USB总线在操作 系统中的优先级并不高,在一些数据密集 的应用中以及实时应用的条件下,一些 USB声卡会显得力不从心,UAC3556B 及其UAC355xB系列在这方面的表现比 较好,能用于高端的游戏耳机就是一个很 好的证明. 图3中,UAC3556B采用总线供电 方式,内部的基准电压是3.4V, UAC3556B还支持5V供电模式,即采用 5V电源为基准电源,这样获得更高的输 出音频电平,对改善THD指标有好处,也 可以提高耳机输出的输出能力,方法是 UAC355xB的AVDD引脚直接和 AREG0,AREG1,SREF相连,相应引脚的 退耦电容不变.另外,UAC355xB的模拟 输出还支持以BTL方式驱动单声道扬声 器,即两个线路/耳机输出端直接与扬声 器相连,与一般的BTL连接方式一样,两 个输出端不再需要耦合隔直电容(C23, C24),输出模式可以通过配置程序进行 设置,当然,相应的输出电路连接方式也 需要同时做相应的改变. UAC355xB内部集成了模拟音频滤 波器所需要的有源放大电路,阻容滤波网 络需要外接,两个通道的阻容网络分别接 于图3中UAC3556B的51,52,53和 53,54,55脚.这两个滤波器是用来滤除 20kHz以上的超音频信号的,可以被关闭 以节省外围元件,方法是将51,52,53和 53,54,55脚分别短接.不过,虽然 UAC355xB内部还同时集成了一个双通 道的3阶数字滤波器,即使上述模拟滤波 器被关闭了,它仍然是有效的,但频率响 应还是会受到影响,所以在重视音频质量 的应用中,这个模拟滤波器最好保留. 三,扩展应用电路 图4是以UAC3556B为例的 UAC355xB的扩展应用电路,典型的可 扩展电路单元如图中虚线框所示,扩展的 功能如下: 1,重低音输出电路 对2.1系统比较有用,不影响主通道 输出电路,也可以通过音频控制面板关 闭,MB低音增强在重低音通道关闭时还 可以用于主通道,也可以关闭.用于重低 音信号处理的低通滤波器插入主通道的 方式可以通过配置程序进行配置,配置内 容见表2. 2,l.S数字音频输入/输出 12S数字音频输入主要用于系统已有 更高质量的外部DAC的情况,模拟音频 通过外部DAC转换为数字音频信号后通 过12S输入UAC3556B实现高质量的录 音. 12S数字音频输出主要用于系统已经 有更高质量的外部ADC的情况,数字音 频从12S输出后由外部ADC进行数字/ 模拟转换,也可以搭配合适的电路实现 S/PDIF输出. 12S数字音频输入/输出支持以下三 种模式: FS同步输入,输出(Synchronous 12SInput/Output):UCC3556为主设备, 48kHz固定采样率: 12S异步输入(AsynchronousFSIn— put):UCC3556为从设备,支持6.4, 48kHz采样率; FS异步输入+可选的FS同步输 出:(Asynchronous12SlnputwithOp— tional12SOutput):12S工作于突发模式 (burstinterface),lS同步输出由 UAC3556B的41,42,43脚实现,用于压 缩格式的数字音频输出. 3,键盘控制电路 通过GPIO端口可以方便的实现对 UAC3556B的HlD控制,也可以由硬件 控制实现而不必通过PC,UAC355xB中 没有定义的GPIO端口可以由用户通过 配置程序自行配置以实现更多的个性化 控制功能.关于GPIO的详细情况参见表 1o 4,片外EEPROM UAC355xB支持多种类型的EEP— ROM,通过FC与外部EEPROM连接, 而UAC3556B支持的类型更多,具体参 见表2.UAC355xB的基本配置,插件,固 件可以由集成的RAM,ROM实现,但设 备供应商,设备制造商的相关信息以及他 们的特有设置是必须通过EEPROM实 现的,工业化规模生产,统一的规格参数 也是通过EEPROM实现的,一般DIY则 可以省略. 四,软件控制 5是以UAC3556B为例,采用 Windows自带的USB标准驱动程序,其 中一个典型的音频控制面板,提供了了高 低音控制以及AGC控制,MB低音增强 等功能. 图6是借用了DSP500驱动程序的 一 个典型的音频控制面板,主要是增加了 5段图示均衡器的控制功能,DSP500的 驱动在网上比较容易下载到,是否适合于 UAC3554B,UAC3555B,条件所限.笔者 没有进行测试. UAC3556B及其UAC355xB的性价 比不太高,但是音频处理,控制功能完善, 基于硬件的设计思想使这个系列更能适 应USB总线的数据传输特点.如今, HD—Audio在PC音频中已经开始普及, USB声卡集成电路是否能够迎头赶上, 让我们拭目以待. ??宙 团逛蝻I町糟干埘硼断黼': 蠢谴控精一.? 避整最t,空鳓I纳-膏黼诹: 翻I嵇:慑二二二:二=l=葛t 一:…三:... ??:慑——卜—一 J 翩埘,一^…_?… 进H幡枷黼托棚艚神嘲憾:: I-l蕾墙埔垡簟I?l. I-2鼍?簟曩t [由: