音频DSP：工作原理、功能以及其背后的PCB是如何制造的

能够消除飞机客舱噪音的降噪耳机、能够在拥挤餐厅中区分人声和背景噪音的助听器、能够将五个音频通道映射到从未听过的房间中的十一个扬声器的家庭影院接收器——这些都是音频数字信号处理 (DSP) 的应用。音频数字信号处理技术早在 20 世纪 80 年代初就已出现，但如今它的应用范围发生了变化。曾经仅限于专业录音棚和广播机构的技术，现在运行在价格仅几美元的芯片上，并被集成到数百万人每天使用的产品中。算法的处理能力和复杂性都得到了极大的提升；承载这些芯片的印刷电路板 (PCB) 的设计和制造难度也相应增加。本文将从算法层面到生产车间，全面介绍音频 DSP 技术。

音频DSP究竟做什么

最简单的音频数字信号处理器 (DSP) 位于音频信号链的中间。模数转换器 (ADC) 对输入的音频信号进行采样——通常根据应用场景，采样频率为 44.1 kHz、48 kHz、96 kHz 或 192 kHz——将连续波形转换为数字流。DSP 接收这些数字，对其进行数学运算，并生成代表处理后音频的新数字流。数模转换器 (DAC) 将这些数字转换回模拟信号，用于放大和播放。

关键在于“实时”。与离线音频处理（例如在数字音频工作站 (DAW) 中渲染效果）不同，音频 DSP 必须在固定的时间窗口内处理每个采样点：一个采样周期。在 48 kHz 采样率下，每个采样点大约需要 20.8 微秒。DSP 核心的任务是在该时间窗口内，针对每个采样点，完成所有通道的所有算法，并且要无限期地执行，不能错过任何截止时间。正是由于这种实时性限制，音频 DSP 才拥有一些架构特性——专用的乘加运算硬件、零开销循环、硬件调度 I/O——使其在处理这种特定工作负载时比通用 CPU 效率高得多。

“处理”一词在实践中的含义因应用场景而异：

• 在扬声器系统中，DSP 将音频分成不同的频段，并将每个频段路由到正确的驱动单元，应用时间延迟来对齐每个驱动单元的波前，并限制输出以保护驱动单元免受过度偏移的影响。
• 在降噪耳机中，DSP 从耳罩外部接收麦克风信号，对其进行反转和延迟，然后将其添加到音频信号中，以通过声学方式消除环境噪音。
• 在助听器中，数字信号处理器 (DSP) 会压缩动态范围，使轻柔的声音变得可听见，而不会使响亮的声音令人感到不适；它还会应用定向滤波来增强佩戴者前方的信号，并抑制麦克风和接收器之间的反馈。
• 在录音棚控制台中，DSP 对每个通道应用参数均衡，运行多频段压缩和限制，添加混响和延迟效果，并将信号路由到多个输出总线——同时在数十个通道上进行。

这些电路各自采用不同的算法，但它们都具有相同的基本结构：DSP内核、ADC输入、DAC输出以及实时执行要求。本文后续章节将探讨这种结构对PCB设计的影响。

核心音频DSP算法

音频DSP算法大致可以分为几个实用类别：声音塑形、扬声器控制、语音清晰度提升和空间效果营造。它们共同决定了音频DSP芯片所需的处理能力。

关键算法组

• 声音塑造： FIR 和 IIR 滤波器、参数均衡器、图形均衡器和房间校正功能可以调节频率平衡、相位特性和音调准确性。
• 扬声器控制： 数字分频器、延迟、限幅器和每个驱动单元的均衡器有助于将音频路由到正确的扬声器驱动单元，同时保护系统。
• 液位控制： 压缩器、限制器、扩展器和噪声门可以控制响度，防止失真或过载。
• 语音处理： 回声消除和噪声抑制通过减少反馈、房间噪音和不必要的背景声音来提高通话质量。
• 空间处理： HRTF、杜比全景声、DTS:X 和高级房间校正技术能够营造更强的空间感、方向感和沉浸感。

实际上，这些功能通常是同时运行的。例如，智能音箱可能会同时使用均衡器、分频滤波、限幅、回声消除和噪声抑制等功能。

这些算法如何影响芯片选择

最主要的结论很简单：音频处理的自适应性、多声道性或空间性越强，DSP 芯片的性能就必须越强大。

音频DSP在各行业的应用

音频DSP广泛应用于需要对声音进行净化、塑形、保护或空间控制的场合。不同产品类型的应用场景对音频DSP的需求各不相同：有些设备注重低功耗和小尺寸，而另一些则需要高通道数、低延迟和高级实时处理能力。

主要应用领域

音频DSP PCB设计：混合信号挑战

音频DSP PCB本质上是一种混合信号设计：它既包含决定系统信噪比的高保真模拟电路（ADC输入级、DAC输出滤波器、音频输入放大器），也包含产生时钟频率谐波噪声的数字开关电路（DSP内核、时钟、存储器接口）。设计上的根本挑战在于如何防止数字噪声进入模拟部分——因为示波器可能无法清晰显示的噪声基底劣化，在音频环境中却是人耳可听见的。人耳可以听到比信号电平低90-120 dB的噪声；这对电子设计而言是一个极其严苛的环境。

平面布局规划：首要且最重要的布局决策

最有效的噪声抑制技术是物理隔离。如果将模数转换器 (ADC)、数模转换器 (DAC)、模拟输入放大器和音频信号走线放置在电路板的同一区域（模拟区），而将数字信号处理器 (DSP) 芯片、数字存储器、时钟振荡器和开关稳压器放置在另一个区域（数字区），那么数字开关产生的地电流自然会留在数字区，而不会流经模拟部分的地线。一旦布局正确，其他所有噪声抑制技术都会更加有效，因为它们需要处理的噪声更少。反之，如果将 DSP 芯片放置在 ADC 输入级旁边，无论其他布局设计得多么精细，模拟信号链的噪声性能都很难恢复。

音频DSP PCB的布局规划规则：

• 将模拟输入部分（连接器、输入滤波器、任何前置放大器和 ADC）放在一起，远离 DSP 芯片和时钟电路。
• 将 DAC 和输出滤波器放在模拟侧一起，在模拟输出到达任何连接器或输出放大器之前，将模拟输出从 DSP 中分离出来。
• DSP 芯片、其去耦电容器、时钟振荡器以及任何相关的 SPI 闪存或 EEPROM 都位于数字区。
• 电源部分——尤其是任何开关稳压器——都位于电路板的边缘，远离模拟和数字信号路径，其电感器和开关节点的方向应确保磁通量不会耦合到附近的走线中。
• 如果 I²S 或 TDM 数字音频接口将 DSP 连接到外部编解码器，则应将该接口通过模拟部分和数字部分之间的中立区域进行路由，而不是通过其中任何一个部分。

音频DSP板的信号路由规则

模拟音频走线是需要优先保护的信号。它们应该尽可能短，远离时钟及其谐波，并且绝不能与大电流电源走线相邻。数字时钟走线（包括 I²S 接口的 MCLK 和 BCLK 信号）会辐射其基频及其谐波，因此应像保护晶体振荡器一样进行保护：尽可能短、加装保护装置，并尽可能位于内部层，且上下层都应有参考平面。音频 DSP 板的一般布线原则是：尽可能缩短模拟音频走线；使时钟线远离模拟路径；尽可能将电源连接放在最后（在所有信号布线完成后）。

音频DSP PCB上的接地、平面和分区

对于音频DSP PCB设计，更安全的做法通常是使用单一的连续接地层，并划分出清晰的模拟和数字布局区域。这样既避免了分割接地层带来的电磁干扰风险，又能有效控制回流电流。

布局原则

• 使用一个坚实的地面： 它为每个信号提供一条短而低阻抗的回流路径。
• 通过摆放位置而非切割铜线进行分离： 模拟电路应放置在模拟区域，数字电路应放置在数字区域。
• 避免跨越平面间隙布线： 裂缝或缝隙会迫使回流电流进入一个大回路，从而增加电磁干扰。
• 控制交叉点： 诸如 I²S 之类的信号应该在特定位置跨越不同区域。
• 需要的地方用缝线加固： 接地过孔可以帮助抑制噪声，并改善敏感模拟电路周围的屏蔽效果。

低噪声音频DSP板的电源设计

音频DSP板卡既需要高效的数字电源，也需要纯净的模拟电源。电源架构应确保开关噪声不会干扰ADC、DAC、时钟和模拟音频通路。

电源设计概要

音频DSP PCB上的ADC和DAC布局

ADC 和 DAC 是模拟音频世界和 DSP 数字域之间的接口。它们的位置、电源设计以及输入输出走线的布线都会直接影响音频系统的信噪比、动态范围和失真性能。

抗锯齿滤波器放置和布线

在模数转换器 (ADC) 的输入端之前，需要一个抗混叠滤波器——一种低通滤波器，用于滤除奈奎斯特频率（采样率的一半）以上的信号成分——以防止混叠失真。对于 48 kHz 的采样率，抗混叠滤波器必须显著衰减高于 24 kHz 的信号。滤波器元件（RC 滤波器的电阻和电容，或有源 Sallen-Key 或 MFB 拓扑结构的运算放大器和无源元件）紧邻 ADC 的模拟输入引脚，并且应使用短走线布线，以最大程度地减少高频干扰的拾取。如果输入信号来自连接器的长走线，则该走线会起到天线的作用；将 RC 滤波器放置在靠近连接器输入端的位置可以减少到达 ADC 的能量。

DAC输出滤波器和输出级

DAC 输出波形为阶跃波形——它以采样率进行离散的跳跃式变化，并且在采样率谐波处包含成像伪影，这些伪影必须在信号到达放大器或连接器之前由重建滤波器去除。重建滤波器（通常是无源 RC 滤波器或有源运算放大器滤波器）紧邻 DAC 输出引脚，位于模拟区域。输出放大器（运算放大器缓冲器或 D 类驱动器）位于其后。如果将 DAC 输出路由到 DAC 和滤波器之间的任何数字区域，则可能导致时钟频率干扰叠加到模拟信号上；必须避免这种情况，方法是将整个 DAC 输出路径（从 DAC 引脚到输出连接器）保持在模拟区域内。

用于高性能ADC和DAC的差分信号通路

高性能音频模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC) 使用差分信号路径——两条互补信号承载音频信号，而不是以地为参考的单端信号。差分信号具有共模抑制能力：任何均匀耦合到两条走线上的噪声都会在接收输入端被消除。这就是为什么专业音频接口使用平衡连接（XLR、带尖端-环-套筒的 TRS），以及为什么高端音频 DSP 板上的模拟信号路径的 PCB 走线会将信号以差分对的形式从输入连接器一直传输到 ADC 输入，再从 DAC 输出传输到输出连接器。保持差分对中两条走线的长度、宽度和布线几何形状相等对于保持共模抑制至关重要——这与高速数字差分对同样重要，但原因相反（前者是为了抗噪，而后者是为了信号完整性）。

时钟和抖动：为什么音频ADC和DAC的性能取决于PCB时钟质量

决定模数转换器 (ADC) 何时对模拟输入进行采样以及数模转换器 (DAC) 何时更新其输出的采样时钟必须极其稳定。时钟抖动（时钟边沿时序的变化）会通过一种称为孔径抖动的机制直接转化为转换后信号的噪声。对于一个工作在 20 kHz 满量程信号的 24 位 DAC，要使抖动噪声低于量化噪声基底，所需的孔径抖动必须小于 1 ps RMS。这可以通过使用优质的 VCXO 或 TCXO 振荡器以及精心设计的 PCB 布局来实现——例如，使用短时钟走线、为振荡器提供纯净的电源、避免走线靠近开关稳压器——但糟糕的布局选择很容易降低其性能。在某些设计中，异步采样率转换器 (ASRC) 正是用于从低抖动本地时钟重新计时音频数据，从而消除对输入时钟抖动质量的依赖。

Highleap Electronics 的音频 DSP PCB 制造和组装

Highleap Electronics是一家PCB制造和组装工厂。音频DSP板是我们经常生产的产品类别之一，从小批量生产的有源扬声器控制器板和助听器PCB，到大批量生产的汽车音频DSP模块和专业音频接口卡，我们都有涉猎。音频DSP板的制造要求具有一些特殊性，而标准的PCB生产工艺若不加以专门考虑，往往难以满足这些要求。

音频DSP板的特定制造要求

音频DSP板的阻抗控制要求与纯数字设计有所不同。数字板主要需要阻抗控制来支持其高速数字接口（DDR、PCIe），而音频板则额外需要模拟阻抗控制：从输入连接器到ADC以及从DAC到输出连接器的模拟音频走线需要保持规定的源阻抗和负载阻抗，以避免可听见的频率响应变化。叠层结构确认必须同时考虑模拟和数字阻抗要求——这可能需要不同层上的走线宽度不同。我们为所有阻抗控制设计（包括音频DSP板）提供基于实际层压板介电常数（Dk）值的叠层结构确认计算。

接地层质量对音频电路板至关重要。模拟信号部分下方接地层上的任何空隙、槽口或铜箔去除不均匀（由过孔间距、布局规划不当或铜箔铺放管理不善造成）都会扰乱敏感模拟信号的回流路径，并提高噪声基底。我们的预制DFM审核会将模拟部分的接地层连续性作为音频设计的特定审核项目，而非通用的接地层填充检查。

对于汽车音频DSP板，制造规范还必须包含以下内容：

• 符合产品热循环要求的高温层压材料（ISOLA 370HR 或同等标准，当标准 FR-4 不足时）。
• 保形涂层兼容性——汽车电路板通常在组装后进行保形涂层处理，因此需要适当的表面光洁度和元件间隙规格。
• 扩展温度范围表面处理——对于汽车应用而言，ENIG（化学镀镍浸金）优于 HASL，因为在产品的整个使用寿命期间，可焊性必须保持一致。

音频DSP板的组装注意事项

采用 48 引脚 LQFP 封装的 ADAU1701 是一款相对容易贴片的 SMT 元件——其尺寸为 7 mm × 7 mm，引脚间距为 0.5 mm，标准 SMT 设备即可完成贴片，无需特殊工艺要求。采用 144 引脚 TQFP 封装的 ADAU1452 以及 SHARC 系列尺寸更大的 BGA 封装则需要更高的贴片精度，并且对于 BGA 封装，回流焊后需进行 X 射线检测——我们在 DSP 芯片 PCB 文章中描述的BGA 封装工艺同样适用于此。

模拟电路部分的无源元件在组装阶段需要格外注意。抗混叠滤波电容、DAC输出滤波电容以及ADC和DAC的电源去耦陶瓷电容都应检查其方向是否正确（极性至关重要）以及容差是否在允许范围内——一个位于关键音频滤波器位置的1%误差电容会导致频率响应偏差，这是音频电路板常见的性能故障之一，虽然可以通过简单的合格/不合格电气测试，但会产生可听见的音染。我们对音频DSP电路板的生产测试包括模拟信号链的同频电气验证，客户需要提供测试向量和合格/不合格标准，而不仅仅是检查电路连通性和元件是否存在。

对于助听器和可穿戴音频DSP板——其PCB可能采用刚挠结合或超薄设计，并使用0201和01005元件——其组装过程对设备和操作人员的严格要求与标准消费电子产品组装截然不同。我们以专门的项目形式处理这些生产，并制定专门的工艺流程，在批量生产前进行首件检验。

音频DSP程序的组件采购

音频DSP程序依赖于一些偶尔会面临供应紧张的元器件：ADAU1701和ADAU1452在高需求时期交货周期长达20-52周；晶体振荡器和精密音频电容器（薄膜电容器和NP0/C0G型电容器）在需求激增期间也会出现类似的供应紧张情况。我们的元器件采购服务通过授权分销渠道采购DSP芯片及相关模拟元器件。对于生产周期较长的项目，我们会提供安全库存策略方面的建议，以确保在供应中断的情况下也能维持生产。

无论您是正在构建以 ADAU1701 为核心的有源扬声器的首个原型，还是将蓝牙 DSP 耳机扩展到量产，亦或是首次将汽车音频处理模块引入工厂，从设计到生产的整个流程都始于 DFM 评审。在首块电路板制造之前，DFM 评审会确认电路板的可制造性以及混合信号布局的正确性。这项评审是免费的，也是生产过程中最具成本效益的环节。

音频DSP常见问题解答

DIY和嵌入式项目中最受欢迎的音频DSP芯片是什么？

Analog Devices 的 ADAU1701 是嵌入式产品设计中最广泛使用的专用音频 DSP，也是 DIY 有源音箱项目的热门选择。它将 28/56 位 DSP 内核、两个 ADC、四个 DAC 和 I²S/SPI 接口集成在单个芯片上，可从外部 EEPROM 独立运行，并可使用 Analog Devices 的免费 SigmaStudio 软件进行图形化编程，无需编写代码。ADAU1452 是其高性能的后续产品，适用于需要更强大处理能力或更多 I/O 通道的设计。

音频DSP和普通放大器有什么区别？

放大器改变音频信号的电平——它可以增大音量或使其与负载阻抗匹配。音频数字信号处理器（DSP）则对信号进行数学处理：它可以改变信号的频率成分（均衡）、改变动态范围（压缩/限幅）、将其分割成不同的频段（分频）、测量并消除噪声（主动降噪，ANC）、添加空间效果以及应用时间延迟。大多数现代音频系统都同时使用两者：DSP 用于处理信号，放大器用于驱动扬声器。许多集成音频产品将两者集成在同一块电路板上。

什么是主动降噪？DSP是如何实现主动降噪的？

主动降噪 (ANC) 使用麦克风在噪声到达听者耳朵之前对其进行采样，反转采样噪声信号的相位（将每个采样点乘以 -1），并将反转后的信号添加到音频输出中。当反转后的噪声与通过空气传播的原始噪声同时到达耳朵时，两者相互抵消，从而将低频噪声的感知水平降低 25-40 分贝。数字信号处理器 (DSP) 负责处理相位反转、延迟调整（确保反转信号在正确的时间到达）以及自适应算法，这些算法会根据噪声环境的变化更新抵消信号。所有这些操作都以音频采样率实时运行；由于通用 CPU 的功耗过高，无法满足耳机所需的电池续航时间，因此只有在专用 DSP 内核上才能实现。