张凯等

摘 要： 为满足超高清码流仪高品质的音频效果需求，设计了一种基于数字音频接收器CS8416和音频数/模转换器CS4398的高性能音频解码电路。该解码电路主要由数字音频接收电路、立体声数/模转换电路、模拟信号调理电路以及开关机静噪电路四部分组成。最高支持24位、192 kHz采样频率的AES/EBU和S/PDIF音频数据的解码，设计的开关机静噪电路结构简单，能有效地抑制开关机时的冲击噪声。

关键词： 超高清码流仪； 音频解码； AES/EBU； S/PDIFT

中图分类号： TN912?34 文献标识码： A 文章编号： 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电子在2012年德国柏林国际消费类电子产品展览会（IFA）推出了世界上首台4K超高清电视（UHDTV）——LM9600[1]。随后各大企业纷纷推出4K电视，电视发展进入了一个全新的阶段。4K电视的发展离不开片源的支持，这就促使了超高清码流仪的诞生。最新的超高清码流仪可以看作是超高清播放器和HDMI分配器的组合，其不仅支持高码率视频解码还具备多路HDMI输出，可以同时带动多台UHDTV。

人们在追求极限分辨率的同时也对电视的音效提出了更高的要求，超高清码流仪除了具备输出高分辨率视频信号的功能外，还应该拥有强大的音频解码能力[2]。针对这种情况，本文提出一种用于超高清码流仪的音频解码电路。最高支持24位、192 kHz采样频率的AES/EBU或S/PDIF音频数据的解码，并具备开关机静噪功能。该解码电路采用硬件模式进行配置，结构简单，可靠性高，成本低廉，可广泛应用于超高清码流仪及播放器中。

1 总体方案设计

本文提出的解码电路结构框图如图1所示。设计中采用数字音频接收器对AES/EBU或S/PDIF音频数据流进行接收和解码，同时从音频流中产生纯净的时钟信号。解码后的音频数据通过I2S总线发送给立体声数/模转换器，数/模转换后，信号调理电路对音频信号进行低通滤波和差分?单端转换。最终获得的高质量模拟电压信号经开关机静噪电路后由RCA接口输出[3]。

2 设计实现

2.1 数字音频接收电路

根据前节所述的系统设计方案，选用Cirrus Logic公司的数字音频接收器CS8416进行音频解码。该芯片兼容EIAJ CP1201，IEC?60958，AES3和S/PDIF标准，采样频率范围为32～192 kHz。该部分电路如图2所示。

串行数字音频信号由RCA接口输入，经74HC04构成的反相器链放大整形后送给CS8416。CS8416对接收到的数据进行解码转换，并重建时钟。解码后的音频数据通过I2S总线发送给后续的数/模转换电路[4]。

在本设计中，CS8416工作在硬件控制模式，故SDOUT通过47 kΩ电阻下拉至地。芯片复位后，CS8416通过检测各控制引脚的电平以确定工作状态。芯片控制引脚的配置如表1所示[5]。

2.2 立体声数/模转换电路

音频数据的数/模转换由Cirrus Logic公司的24位、192 kHz立体声D/A转换器CS4398实现，CS4398采用Delta?Sigma结构，信噪比为120 dB，总谐波失真+噪声（THD+N）为-107 dB，D/A转换电路如图3所示。

解码后的I2S音频数据通过33 Ω缓冲电阻输入CS4398。CS4398设定为工作在硬件控制模式，其工作状态由控制引脚的电平决定，CS4398控制引脚的配置如表2所示。

图3中，R6，R7，R12～R14和Q1，Q2构成静音电路，以降低无关噪声和提高信噪比。由于左右声道信号的处理电路相同，故在本节和下节中以左声道电路为例进行阐述。

2.3 模拟信号调理电路

模拟信号调理电路对数/模转换后得到的模拟音频信号进行低通滤波和差分?单端转换，以消除共模误差和降低Delta?Sigma调制器产生的带外噪声[6]，电路如图4所示。

电路中的运算放大器使用低噪声运放NE5532，U4A及其外围元件构成一个差分输入的二阶巴特沃斯低通滤波器，滤波后信号通过由U4B和[R19，][R23]构成的反相电路后经隔直电容输出至开关机静噪电路。

2.4 开关机静噪电路

在系统上电时，由于开关机静噪电路的延时作用，解码电路在芯片正常工作后才输出信号；在系统关机时，开关机静噪电路迅速切断信号输出线路，由此消除在芯片启动过程中产生的噪声和开关机冲击噪声。电路如图5所示。

220 V交流电经降压、整流和滤波后供给继电器K1的线圈，由于继电器线圈同时具有电阻和电感特性，相当于增加了一级滤波，故虽然[C34]的容值较小，但继电器也能获得较稳定的工作电压，这也为关机时的迅速放电奠定了基础。在系统上电时，待电源芯片正常工作后[R10]才能获得+5 V的供电，Q3才会导通，继而继电器吸合，音频信号输出线路接通。在关机时，由于[C34]的容值较小，继电器线圈迅速放电，继电器触点快速断开，音频信号输出线路切断，由此实现开关机静噪的功能。

3 系统测试

系统实物如图6所示，由于解码芯片及数/模转换芯片均工作在硬件控制模式，故在本设计方案中无需繁琐的软件设计，简化了电路结构。

测试时，利用网影K8超高清码流仪作为信号源，S/PDIF音频信号从其主板引出，通过RCA接口与本文设计的解码电路相连。图7和图8分别为解码后获得的位时钟SCLK和串行音频数据SDATA的波形。

由图7和图8可以看出，解码电路成功实现了S/PDIF格式串行音频数据的解码。随后将该电路接入专业音响系统进行实际试听，解码后音质清晰，音色圆润，在设备反复插拔电试验中无开关机冲击噪声出现。

4 结 语

本文设计了一种适用于超高清码流仪的高解析度音频解码电路，最高支持24位、192 kHz采样频率的AES/EBU和S/PDIF音频数据的解码，并具备开关机静噪功能，能有效地抑制开关机时的冲击噪声。该解码电路的核心芯片均工作在硬件控制模式，简化了电路结构并降低了设计难度，从而提高了电路可靠性，降低了生产成本，可广泛应用于高清码流仪、硬盘播放器、数字机顶盒以及各类视听设备中。

注：本文通讯作者为王海滨。

参考文献

[1] 孔彬.4K电视最新发展动态研究[J].广播与电视技术，2013（11）：18?24.

[2] 耿建平，何学良.基于SMP8653的高清播放机的设计与实现[J].电视技术，2012，36（5）：26?30.

[3] 全浩军，郭继昌，张涛.通用音频解码器验证系统设计与实现[J].电子技术应用，2011，37（6）：84?90.

[4] 张玮，刘宇，薛志远，等.基于SPI总线的DSP与音频编解码芯片的接口设计[J].电子技术应用，2013，39（6）：31?33.

[5] 冀宏斌，罗浩，徐兴.基于WM8741的音频解码器设计[J].电子设计工程，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.