【導讀】在 PCB 板內的音頻設計時(shí)，很多時(shí)候都是以模擬信號作為前后輸入輸出，但是板內更多是以數字信號為主，例如我們可以看到各種 aux、同軸、蓮花口等信號輸入。只要音頻需要進(jìn)行處理，一般都是需要轉成數字信號來(lái)進(jìn)行的，比如當我們在用 FPGA、DSP、單片機等系統時(shí)。大多數情況下，簡(jiǎn)單 2 通道的實(shí)現在軟硬件上還是比較簡(jiǎn)單，但是上升到 TDM8 以上，很多客戶(hù)就會(huì )面臨穩定性的問(wèn)題。接下來(lái)將分兩個(gè)板塊——軟件和硬件，為大家說(shuō)明如何有效規避這些風(fēng)險。
在上篇《ADI音頻在PCBA里的通用傳輸格式》里，我們介紹了通用音頻在 PCBA 中的傳輸格式，其中涉及到多種格式，本文將挑選一個(gè)最常用的數字傳輸格式進(jìn)行相關(guān)分析，以幫助大家了解如何合理地在軟硬件上進(jìn)行設計。
在 PCB 板內的音頻設計時(shí)，很多時(shí)候都是以模擬信號作為前后輸入輸出，但是板內更多是以數字信號為主，例如我們可以看到各種 aux、同軸、蓮花口等信號輸入。只要音頻需要進(jìn)行處理，一般都是需要轉成數字信號來(lái)進(jìn)行的，比如當我們在用 FPGA、DSP、單片機等系統時(shí)。大多數情況下，簡(jiǎn)單 2 通道的實(shí)現在軟硬件上還是比較簡(jiǎn)單，但是上升到 TDM8 以上，很多客戶(hù)就會(huì )面臨穩定性的問(wèn)題。接下來(lái)將分兩個(gè)板塊——軟件和硬件，為大家說(shuō)明如何有效規避這些風(fēng)險。
TDM 在軟件配置上的注意項
上文有說(shuō)到 TDM 協(xié)議一般是三根線(xiàn) (MCLK 除外)，有的編解碼會(huì )有四根線(xiàn)，主時(shí)鐘線(xiàn)束一般是恒定輸入的，另外三根是 BCLK、SYNC、以及 SDATA (DATA 一般會(huì )有 DTX、DRX，或者自己靈活配置為 DTX 或 DRX)。那發(fā)射端和接收端要如何配置才能匹配起來(lái)呢？下面將進(jìn)行一一介紹：
? 確定傳輸多少通道的音頻
我們需要根據傳輸多少通道的音頻來(lái)選擇 TDM 接口，一般是 TDM2/4/8/12/16/32 這幾種，具體需要根據實(shí)際情況來(lái)選擇。然后確定采樣率、位深，以此得到確切的位時(shí)鐘數據。例如 TDM16，采用 48khz 的采樣率以及 32bit 的位深，那么其確定的 BCLK 頻率就是 16 * 48khz * 32bit = 24.576Mhz。在驅動(dòng)中一般需要配置具體 TDM 類(lèi)型、位深和采樣率，這里的配置，發(fā)射端和接收端需要保持一致。
? 確定 SYNC 的類(lèi)型和極性
對于幀同步信號，它的頻率一般就是采樣頻率，比如 TDM16 的格式，在幀同步信號的一個(gè)周期內，可以傳輸 16 個(gè)通道的數據。同時(shí)，它有脈沖模式和 50/50 占空比模式。脈沖模式是以第一個(gè)位時(shí)鐘增加一個(gè)脈沖開(kāi)始，到該周期結束。50/50 占空比模式，是高低電平分別占用一半的通道，具體請查看 datasheet 的示例圖。它還有一個(gè)極性，即上升沿觸發(fā)還是下降沿觸發(fā)。這一部分發(fā)射端和接收端也需要保持一致。
? 確定 BCLK 的極性
在第一點(diǎn)我們已經(jīng)確定了 BCLK 的時(shí)鐘大概是多少，接下來(lái)還需要進(jìn)行下一步的極性配置。這個(gè)極性配置其實(shí)是對應于 SDATA 位來(lái)說(shuō)的，而且需要區分驅動(dòng)沿和采樣沿，一般情況下，發(fā)射端的驅動(dòng)沿配置要和采樣沿相反，有的格式要相同，具體要核對數據手冊上對于該內容的描述。
其實(shí)就算配置的不對，也會(huì )有聲音輸出?；旧嫌薪?jīng)驗的工程師都能夠聽(tīng)出來(lái)，或者通過(guò)對數據數組中的數據進(jìn)行分析，不對應的邊沿，采集下來(lái)的數據無(wú)非就是溢出，或者少了一位。當發(fā)現 1khz 的正弦波進(jìn)去，采出的數據具備這種波形特點(diǎn)，但是高位沒(méi)數據，或者低位沒(méi)數據，聽(tīng)起來(lái)原聲小，噪聲大，實(shí)際上就是這個(gè)原因造成的。另外，這個(gè)配置發(fā)射端和接收端可能相反，也可能相同，因此需要進(jìn)行比對。
? 確定 SDATA 位的格式
這里說(shuō)的格式和數據傳輸中 MSB 以及 LSB 息息相關(guān)，這一點(diǎn)是針對于 SYNC 來(lái)的。在 SYNC 的周期開(kāi)始時(shí)，我們可以選擇 delay 1 或者左對齊右對齊等格式。這里是要嚴格對齊的，不然數據肯定是采集不正確的，該配置發(fā)射端和接收端需要保持一致。
以上基本就是 TDM 在軟件配置中的一些注意點(diǎn)，當然可能有一些芯片在這些配置的基礎上增加了某些其他功能，這需要具體查看對應的 datasheet。比如 ADAU1452 添加了 flexTDM 功能，AD2428 的 TDM 增加了 delay 1 SYNC 以及 offset 等等，這樣做的目的基本上都是為了提升該芯片 IP 的兼容性。有一些做得差的廠(chǎng)商，可能他們的 IP 都無(wú)法支持 TDM32，只能支持到 TDM8，但總體來(lái)說(shuō)，以上的配置指導說(shuō)明能夠涵蓋這些基礎配置。
TDM 在硬件設計上的注意項
很多人會(huì )說(shuō) TDM 不就是幾根線(xiàn)連起來(lái)就可以了嗎？然后 IIS 跑起來(lái)也沒(méi)出過(guò)問(wèn)題??？大部分客戶(hù)可能很少設計過(guò) TDM8 以上的信號，同時(shí)極端情況出現的比較少，這是因為消費電子的音頻受擾環(huán)境少，但在汽車(chē)電子中，外界環(huán)境比較復雜，時(shí)常出現一些不穩定的現象，下文將集中描述一些問(wèn)題，同時(shí)給大家提供一些解決思路。
為什么要在發(fā)射端和接收端加電阻？
如下圖 (圖1) 所示，我們常常在 IC1 和 IC2 中間加個(gè)電阻，很多工程師其實(shí)都不清楚為什么要加它，它到底加多大？以下為大家進(jìn)行詳細說(shuō)明：
圖1 信號線(xiàn)連接示意圖
通常我們看到音頻芯片連接線(xiàn)上一般都是用 0、22、33Ω 的電阻進(jìn)行連接，其實(shí)主要的目的還是為了阻抗匹配，這涉及到我們大部分的高頻電子電路的應用。簡(jiǎn)單來(lái)講就是信號源內阻、特征阻抗、還有負載阻抗，最好的狀態(tài)就是實(shí)現三者的大小相等，傳輸過(guò)來(lái)的信號相位完全相同，當然這頗有難度。如果匹配不好不連續時(shí)，或在信號頻率過(guò)高時(shí)，我們會(huì )發(fā)現信號能量丟失很多，同時(shí)反射嚴重，波形毛刺凌亂。其原理可以類(lèi)比光進(jìn)行發(fā)射時(shí)，在發(fā)生折射的同時(shí)還發(fā)生反射，所以我們至少要盡量朝著(zhù)這個(gè)方向去靠近。
在芯片的 TDM IP 接口設計時(shí)，實(shí)際上發(fā)射端的阻抗一般都是偏低的，大概在 17-40Ω 左右，PCB 的單端走線(xiàn)一般是 50Ω，而接收端的阻抗通常又比較大，這就是一個(gè)典型的不連續不匹配的系統，所以我們通常需要加一個(gè) 22Ω 的電阻，加到靠近的發(fā)射端，這樣基本能在整體上保持阻抗的連續問(wèn)題。不匹配典型的波形就是過(guò)沖和振鈴，如下圖 (圖2) 所示，而這種問(wèn)題的風(fēng)險就是容易導致接收端誤解碼。
圖2 發(fā)射端與接收端不匹配典型波形圖
還一種情況是吸收干擾脈沖，有時(shí)候我們走線(xiàn)拉得很長(cháng)，然后在走線(xiàn)的周邊又經(jīng)常出現一些高速跳變的信號，尤其是平行并排走的，那么這個(gè)時(shí)候信號線(xiàn)非常容易受到干擾，會(huì )有一些毛刺和窄脈沖，這樣我們的接收端就很不好判定了，因此容易產(chǎn)生問(wèn)題。對于這一類(lèi)問(wèn)題，一般通過(guò)非平行走線(xiàn)減少耦合，同時(shí)接收端增加大電阻吸收窄帶脈沖的能量即可。
總的來(lái)說(shuō)，信號線(xiàn)上的電阻主要是為了匹配阻抗，降低噪聲，而限流和保護作用基本上涉及比較少，因為功率總體上比較小。
在發(fā)射端和接收端到底要不要加旁路或者去耦電容？
接下來(lái)通過(guò)一個(gè)真實(shí)的案例加以說(shuō)明。某客戶(hù)已經(jīng)把功放的所有產(chǎn)品需求設計好了，并且進(jìn)入量產(chǎn)了，但是將產(chǎn)品裝到車(chē)上后，在低溫或者一些比較極限的情況下，突發(fā)無(wú)聲等情況。經(jīng)過(guò)許久排查，發(fā)現核心問(wèn)題還是產(chǎn)生在 TDM 的旁路電容上。
為什么要加該電容？在汽車(chē)電子的產(chǎn)品中，我們都要過(guò)車(chē)規認證，這時(shí)候會(huì )產(chǎn)生讓非常多工程師頭疼的問(wèn)題：當 EMI 和 EMC 等級要求過(guò)高而無(wú)法通過(guò)時(shí)，工程師就會(huì )考慮加一些電容了。一方面因為是旁路或者去耦接地能夠吃掉相當一部分的能量，使得輻射減少。另一方面還能夠降低噪聲，提高電磁兼容性。
另外，在實(shí)際應用中還得注意諧振頻率的問(wèn)題，尤其是和信號頻率接近的諧振頻率。產(chǎn)生諧振后，最容易出現在我們信號的閾值附件波形抖動(dòng)，尤其在一些極端條件下，電容器的溫漂屬性，配合自身的 ESR，以及電路中的電阻構成 RC 濾波電路。如果出現了這個(gè)問(wèn)題，基本是由于 TDM 信號判定不了或者錯位導致的。所以在這個(gè)電容器上，不需要經(jīng)過(guò)嚴苛認證的一般不必加，需要過(guò)認證的要適量加大容量或者減小容量，尤其是上升沿下降沿出現回勾，而且這個(gè)頻率一般是很難計算的，它和發(fā)射接收、走線(xiàn)以及電容本身的 ESR 都有關(guān)系。
總之，在添加電容、電阻的時(shí)候也需要用心，因為如果這些條件沒(méi)添加好，都會(huì )影響波形質(zhì)量。電阻加得大，波形變成三角波，電容加得大，波形爬坡變成一條弧線(xiàn)，上升下降沿的時(shí)間都大大增加了，從而進(jìn)一步影響波形質(zhì)量。
綜上所述，只要對以上介紹的兩點(diǎn)內容和硬件的 layout 設計稍作注意，一般都可以設計出比較穩定的產(chǎn)品。有一些客戶(hù)出問(wèn)題少，是因為大部分的 IIS 帶寬足夠低，很少出現這種情況，同時(shí)容錯率比較高，芯片廠(chǎng)商設計的 IP 足夠覆蓋。這側面也反應出，在設計中，如果使用 TDM8 足夠，就不需要使用 TDM16 或者 32，因為會(huì )增加一些不必要的風(fēng)險。
總結
根據上面的介紹，相信大家對 TDM 的協(xié)議和設計方式已經(jīng)了解，這個(gè)格式差不多算是通用音頻的基石，用的非常多，希望能對大家的設計有所幫助。同時(shí)大家在選擇上可以盡可能選擇支持 TDM16、32 的這種芯片，因為一般這種芯片的 IP 設計的帶寬都要比那些只支持不到 TDM8 的芯片要好，尤其體現在一些高算力的 SOC 或者 DSP 上。
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