应用笔记5148

Skype TV和远端扬声器的音频电路配置

Evan Ragsdale, 战略应用工程师

摘要:MAX9860音频编解码器为Skype®远端音频信号采集和高质量语音传输提供完美的解决方案。目标应用包括:Skype TV、机顶盒、扬声器等。通过提供灵活的可编程增益范围和高达48kHz的采样率,MAX9860能够用于放大模拟麦克风信号,并将其转换为所需要的数字音频信号。此外,MAX9860的两路麦克风输入可以根据需要从两个麦克风或四个麦克风阵列记录信号,利用波束成形算法提高阵列的方向灵敏度并提供消噪声功能。

简介

MAX9860提供Skype语音采集所需的系统模块和性能,在麦克风输入引脚和内部模/数转换器(ADC)之间可选择0dB至50dB之间的任何增益(1dB步长) (图1)。ADC的输出级可以选择-12dB至+3dB的额外增益。器件的数字音频接口输出符合标准I²S、左对齐或TDM协议,用于系统应用处理器之间的通信。所有设置通过2线I²C兼容接口编程。

图1. MAX9860结构图,ADC通路。
图1. MAX9860结构图,ADC通路。

推荐的麦克风前置放大器电路

对于Skype应用,推荐在MAX9860模拟输入之前使用一级额外的前置放大器,确保提供足够增益。可以使用单电源供电的双通道、低噪声运算放大器,如MAX4253。确保外部运算放大器的信噪比(SNR)大于MAX9860的SNR,这一点非常关键,由此可以获得较好的整体SNR性能。外部运算放大器电路也可用作低通滤波器,抑制高频噪声。
有两种推荐的麦克风配置用于远端Skype系统:四个麦克风阵列和两个麦克风阵列。图2图3所示为采用四个麦克风阵列所推荐的输入原理图。当采用两个麦克风阵列时,移除MK3、 MK4、FB3、FB4、C101、C102、R91和R101,同时,把R41和R42更改为0Ω。图4图5所示为采用两个麦克风阵列时推荐的输入原理图。
图2. 四路麦克风输入电路。
图2. 四路麦克风输入电路。
图3. 四路麦克风的放大器电路。
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(PDF, 282kB)
图3. 四路麦克风的放大器电路。
图4. 两路麦克风输入电路。
图4. 两路麦克风输入电路。
图5. 两路麦克风的放大器电路。
详细图片
(PDF, 278kB)
图5. 两路麦克风的放大器电路。
通过把一个麦克风信号连接到左声道输入、另一个麦克风信号连接到右声道输入,MAX9860可支持两个麦克风阵列。把两路麦克风信号之和连接到左声道输入、其余两路麦克风信号之和连接到右声道输入,可以支持四麦克风阵列。

器件设置

通过I²C寄存器0x03–0x07 (表1)选择需要的时钟速率和接口模式,将MAX9860按照Skype系统的需求进行配置。MAX9860可采用10MHz至60MHz的任何系统时钟作为主时钟(MCLK)。支持8kHz至48kHz采样速率范围,包括所有常见的采样速率(8kHz、16kHz、24kHz、 32kHz、44.1kHz和48kHz)。有关时钟控制寄存器的详细信息,请参考MAX9860数据资料
表1. 推荐寄存器设置
REGISTER B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 REGISTER ADDRESS POR RECOMMENDED SETTING FOR SKYPE USE R/W
STATUS/INTERRUPT
Interrupt Status CLD SLD ULK 0 0 0 0 0 0x00 R
Microphone NG/AGC Readback NG AGC 0x01 R
Interrupt Enable ICLD ISLD IULK 0 0 0 0 0 0x02 0x00 0x10 R/W
CLOCK CONTROL
System Clock 0 0 PSCLK 0 FREQ 16KHZ 0x03 0x00 Depends on system clock requirements and desired sample rate R/W
Stereo Audio Clock Control High PLL NHI 0x04 0x00 R/W
Stereo Audio Clock Control Low NLO 0x05 0x00 R/W
DIGITAL AUDIO INTERFACE
Interface MAS WCI DBCI DDLY HIZ TDM 0 0 0x06 0x00 Depends on system interface requirements R/W
Interface 0 0 ABCI ADLY ST BSEL 0x07 0x00 R/W
DIGITAL FILTERING
Voice Filter AVFLT DVFLT 0x08 0x00 Depends on desired sample rate R/W
DIGITAL LEVEL CONTROL
DAC Attenuation DVA 0x09 0x00 0xFF R/W
ADC Output Levels ADCRL ADCLL 0x0A 0x00 0x33 R/W
DAC Gain and Sidetone 0 DVG DVST 0x0B 0x00 0x00 R/W
MICROPHONE LEVEL CONTROL
Microphone Gain 0 PAM PGAM 0x0C 0x00 0x34 as starting point. Adjust as necessary. R/W
RESERVED
Reserved 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0x0D 0x00
MICROPHONE AUTOMATIC GAIN CONTROL
Microphone AGC AGCSRC AGCRLS AGCATK AGCHLD 0x0E 0x00 0x00 R/W
Noise Gate, Microphone AGC ANTH AGCTH 0x0F 0x00 0x00 R/W
POWER MANAGEMENT
System Shutdown Active-Low SHDN 0 0 0 DACEN 0 ADCLEN ADCREN 0x10 0x00 0x83 R/W
将寄存器0x0E和0x0F设置为0x00,禁用AGC。虽然MAX9860内置自动增益控制(AGC),在Skype应用中最好关闭这一功能。Skype具有特殊的AGC算法,运行在主机平台。由Skype提供的应用程序接口(API)控制增益,需通过更改寄存器0x0C设置增益。
为优化启动性能,通过向寄存器0x0C写入0x34选择起始增益为0dB。随后,通过寄存器0x83打开模拟录音通道,启动器件工作。置位第1位和第0位分别打开左、右声道ADC;置位第7位,启动MAX9860工作。
一旦器件开始工作,利用寄存器0x0C选择麦克风前置放大器增益和PGA增益,以更好满足所预期的模拟输入信号水平。所推荐的I²C编程顺序如表2所示。
表2. 推荐编程顺序
Address Value
0x10 0x00
0x0C 0x34
0x03–0x08 Depends on system requirements
0x09 0xFF
0x0A 0x33
0x0B 0x00
0x0E 0x00
0x0F 0x00
0x10 0x83
0x0C Set gain based on expected signal level

布局和接地

在Skype应用中,合理的布局和接地有助于优化性能。在设计MAX9860的PCB时,需要将MAX9860的模拟部分与数字部分分隔开,确保模拟音频信号周围没有数字信号布线。推荐通过双绞线把麦克风信号连接到PCB输入。麦克风尽量靠近运算放大器放置。
为了提高输入电路的抗干扰能力,麦克风输入信号的负极(MICLN、MICRN)接交流地,接地端应尽可能靠近运算放大器的输出(MIX_MICL、MIX_MICR,如图3、图5所示)。把MICLP和MICLN按照差分对方式连接到MAX9860,保证信号的正端和负端采用相同的走线长度、通过相同路径。对MICRP和MICRN采用相同方法设计。
在PCB的专用层使用大面积的连续地层,以减少回路面积。使用尽可能短的走线把AGND、DGND和MICGND直接连接到接地层。合理的接地能够提高音频质量,减少通道间的串扰,并可防止任何数字噪声耦合到模拟音频信号。
引脚REG、PREG和REF的旁路电容通过最短走线直接接地,确保以最短引线接至AGND和MICGND。AVDD直接旁路到AGND,MICBIAS直接旁路到MICGND。
把所有数字I/O端口连接到接地层,采用最短走线接至DGND;DVDD和DVDDIO直接旁路到DGND。
MAX9860采用薄型QFN封装,下方带有散热裸焊盘。裸焊盘至PCB的直接导热路径改善散热,该焊盘降低了封装热阻,把散热裸焊盘连接至AGND。
评估板(EV kit)提供了一个MAX9860布局示例。利用MAX9860EVKIT软件可快速设置MAX9860,通过软件方便地控制所有内部寄存器。

结论

MAX9860提供所有必要功能,在改善音频质量的同时可满足不同系统需求。采用本文推荐的配置,很容易实现Skype应用的原型开发。可申请获得MAX9860评估板和评估软件。


Skype是Skype Limited Corporation的注册商标。



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