本文重点以TI的TLV320AIC3101为例详细总结和解释模拟麦克风接入Audio Codec，通过I2S接口输出到Host，再从I2S接口接收Host的数字音频数据，并通过Audio Codec输出到扬声器的全过程。

本文在前一篇的基础上，继续开始对Audio模拟信号进行数模转换以及在数字域中的处理。

模数转换阶段

麦克风输出的模拟音频信号，经过PGA放大并且进行抗混叠滤波以后，就可以进入Audio ADC的阶段开始进行模数转换了。

参考《如何理解Audio Codec中ADC和DAC的SNR概念？》一文，音频系统中的Audio ADC和DAC广泛采用了Σ-Δ调制器架构而非传统架构（如SAR或Flash型）来实现，主要的原因是前者可通过过采样、噪声整形和数字滤波等技术的组合，在音频系统中实现了高分辨率、低量化噪声和低成本的平衡，完美契合了音频信号的处理需求。

因此，对模拟音频信号进行的模数转换主要包含两个阶段：Σ-Δ调制器和数字抽取滤波器（Digital Decimation Filter）。

Σ-Δ调制器

关于Σ-Δ调制器的工作原理，参考资料3有一个很生动的动画网页进行介绍，其结构如下图所示：

 其大致的工作逻辑是：

• • 首先是输入的模拟音频信号与反馈信号的差值计算。反馈信号的初始值为0，后续由Σ-Δ调制器的上一次输出的结果控制，当上次比较的输出为0时，反馈信号为0，上次比较输出的结果为1时，反馈信号为VREF。
• • 把以上计算出来的差值送入积分器进行累加计算。
• • 使用比较器对以上积分器的累加计算结果进行比较。当累加器输出值小于0时，比较器输出为0；否则输出为1。
• • 以上比较器的输出即为Σ-Δ调制器的输出，同时该输出用于作为反馈信号的控制信号。

对于TLV320ALV3101而言，其Σ-Δ调制器的过采样率为128倍。那么，当以48K采样率对模拟音频信号进行采样时，意味着Σ-Δ调制器的采样速率高达：48K x 128 = 6.144MHz。因此，对于Σ-Δ调制器而言，在设置为48K采样率的情况下，调制器输出的结果就是6.144MHz频率的0/1位流。

数字抽取滤波器

Σ-Δ调制器的输出，接下来要经过数字抽取滤波器恢复为其Audio ADC定义的24bit数字音频采样信号。其工作逻辑是：

• • 以Σ-Δ调制器的过采样率为单位，例如对TLV320AIC3101而言就是128，Σ-Δ调制器所输出的0/1位流每128个bit作为一个音频采样；
• • 计算这个128bit的音频采样中，有多少个0，多少个1。
• • 然后按照如下公式计算24bit的采样值：（1的个数/128）* 2的24次方。这个输出就是Audio ADC进行模数转换得到的单个数字音频信号的采样值。

例如：单个音频采样的128bit中有80次为1，(80/128)×16,777,216=10,485,760（换算为十六进制就是0xA00000）。

数字信号处理与输出

完成ADC转换之后，就正式进入音频信号的数字域了。

对于不少更高级的Audio Codec而言，其内部能够支持回音消除等特性，所以音频3A（AEC，ANS，AGC）都是放在数字域，对ADC输出的数字音频信号进行处理的。不过TLV310AIC3101缺乏AEC这类高级特性，从以上模拟信号PGA放大的部分也可以看到，其AGC是通过反馈的方式自动控制PGA的增益，在模拟域来实现自动增益控制的。

下图是TLV320AIC3101模拟信号经过ADC转换后在数字域的处理流程图。可以看到，经过ADC转换后所得到的数字模拟信号，已经可以通过寄存器控制SW-D1和DOUTL的方式直接在数字接口上输出给Host了。同时，该型号audio codec还包含了一个工作在数字域的Effects模块，该模块可以对ADC输出的数字信号做进一步的增强处理后，再通过SW-D2输出到数字音频接口。

Effects模块

在TLV320AIC3101的音频处理链路中，数字音频效果处理模块（Effects）是实现音质增强和噪声抑制的核心模块。由上图可以看到，这个模块不仅可以对ADC转换的模拟音频输入信号进行增强处理，也可以对从I2S等数字音频接口直接接收到的数字音频输入信号进行处理。

在TLV321AIC3101的数据手册中，这个Effects模块所包含的功能包括：

• • 3D音效增强（3-D Sound Enhancement）：通过对左右声道信号进行相位偏移和幅度调整，来扩展声场宽度，增强空间感，模拟环绕声的效果。
• • 低音调节（Bass Control）：通过设置不同的增益来增强或衰减低频响应（典型范围20Hz~300Hz）。
• • 高音调节（Treble Control）：通过设置不同的增益来调整高频响应（典型范围2kHz~20kHz）。
• • 中频调节（Midrange Control）：针对人声频段（300Hz~3kHz）进行选择性增强或衰减。
• • 多段均衡器（Multi-Band EQ）：把音频信号的全频段分成多个子频带，对其提供独立可调的参数均衡配置。
• • 陷波滤波器（Notch Filter）：用于消除特定频率的干扰（例如50/60Hz电源噪声）。
• • 去加重（De-emphasis）：在广播、录音等系统中，发送端会对高频信号进行预加重提升高频以抑制传输噪声，那么在接收端就要通过De-emphasis模块对高频信号进行衰减，恢复原始信号的频率响应。在接入麦克风信号的情况下通常不需要考虑。

因此总结起来，3-D音效增强实际上对左右声道的数字音频进行不同幅度的调整后混音，产生立体声的效果；Bass，Treble，Midrange这三个模块实际上分别时针对语音信号中的低频、高频以及中频分别通过增益控制分别实现选择性的增强或者衰减；EQ则是把整个频带分成多个不同的段，然后设置不同的增益；Notch Filter则专门用于消除特定频率点上的干扰。

经过以上Effects模块的处理以后，数字音频信号就可以通过以上的数字音频接口（一般是使用I2S）输出给Host了。一路I2S可以把两个ADC同时输出的声道数字音频信号，使用WCLK分区左右声道传输给Host。下图是左对齐的I2S信号时序图：