没有拉链噪音，没有砰噗声！
模数转换器 (ADC) 混合增益控制如何实现平滑、无砰噗声的麦克风前置放大器增益变化
本文介绍了 Cirrus Logic 专业音频 ADC CS530xP 系列的新型混合增益控制 (HGC) 功能，以及这些功能如何在改变数字控制麦克风前置放大器的增益时消除噪音问题。 这对专业音频设备设计师来说是一个长期存在的挑战，该解决方案实现了高分辨率麦克风前置放大器增益控制，具有传统电位器的感觉，但没有可听见的砰噗声或拉链噪音，通过将控制集成到 ADC 中，并结合零交叉检测和精确同步的数字增益控制。
现在，使用 Cirrus Logic 专业音频 ADC CS530xP系列的混合增益控制 (HGC) 功能，可以轻松消除在数字控制麦克风前置放大器上改变增益时产生的砰噗声和拉链噪音。这种砰噗声和拉链噪音一直是专业音频设备设计师面临的一个长期挑战。现有的高分辨率麦克风前置放大器增益控制解决方案具有传统电位器的感觉，没有可听见的砰噗声或拉链噪音，但通常昂贵且复杂。HGC 通过将麦克风前置放大器增益控制集成到 ADC 中，并结合零交叉检测和精确同步的数字增益控制来解决此问题。HGC 使专业音频产品设计师能够轻松确保顺畅的无砰噗声增益控制，同时保留现有的麦克风前置放大器设计并简化硬件和软件。
麦克风前置放大器的数字增益控制
从历史上看，调音台等模拟专业音频产品上的麦克风前置放大器增益由电位器控制。数字音频调音台的出现导致了对麦克风前置放大器增益进行数字控制的需求。数字控制使麦克风前置放大器能够远离混音器的控制界面。最终，这实现了有价值的新产品架构，用传输数字音频的细而轻的网络电缆取代了工作室和表演场所周围悬挂的沉重的模拟多芯电缆。数字增益控制还允许在软件控制下存储和调用麦克风前置放大器增益设置。它现在是调音台的普遍功能，并且越来越多地出现在其他专业音频产品中，例如笔记本电脑的录音接口。
这种数字增益控制通常使用模拟多路复用器来实现，以将不同的增益设置电阻器切换到麦克风前置放大器电路中。控制表面上的用户界面通常是旋转编码器。音响工程师仍然希望这个“增益旋钮”能够以电位器的连续增益响应做出响应。为了实现这一点，控制软件管理在 ADC 之后应用的数字“插补”，以在模拟增益步长之间进行插值。当声音工程师顺时针转动增益旋钮时，开关麦克风前置放大器增益会逐步增加，而数字增益会在这些步骤之间平稳地插值（图 1）。
模拟增益增加一步时，数字增益必须同时减少相同的量以保持增益平稳增加。模拟增益和数字增益相加产生系统增益，该增益应与旋钮指令的增益相同。
为了最大限度地减少增益变化时的砰噗声，模拟增益变化也可能与模拟信号穿过信号零电平点保持一致。这可确保增益变化发生在信号幅度为零时，以避免增益变化引起可听见的瞬变。图 2显示了实施该方案的典型系统（不含 HGC）。
实现麦克风前置放大器增益的数字控制非常棘手
多年来，如专业音频产品设计师在实施图 2 所示。前置放大器增益数字控制方案时遇到了各种问题和复杂情况。
也许最大的困难是数字插补通常在音频系统的 DSP 中实现。这通常位于系统中与麦克风前置放大器不同的部分，并且系统限制可能难以实现模拟增益变化和数字插补步长之间的精确同步。这些操作之间的时间不一致可能会导致可听见的瞬变，如下图所示，Cirrus Logic 的 HGC 演示硬件配置错误。这些图显示了增益变化，包括 1kHz 正弦波上的模拟 +3dB 增加和 -3dB 数字增益步长。模拟增益变化与零交叉点同时发生，但匹配的数字增益步长晚了 4 个样本（约 83µs）。这会导致波形中出现可见的故障（图 3 和图 4），并且可以清晰地听到。
孤立地看，这些瞬变听起来就像“砰”的一声，是由用户转动麦克风前置放大器增益控制旋钮引起的。如果快速转动旋钮，快速的瞬变流听起来就像拉链噪音一样。在这两种情况下，这些噪音与系统应该模拟的电位器的行为非常不同，这会分散音响工程师的注意力，并使他们感到不愉快。
另一个困难是图 2所示的系统很复杂。它包括用于模拟零交叉检测的分立电路，以使模拟增益变化与零交叉一致，从而最大限度地减少瞬变。如果省略，砰噗声和拉链噪音会更加严重，因此在改变增益时可能需要暂时将音频通道静音。系统还需要来自主机的多条控制路径。如果 DSP 和模拟输入路径由两个独立的通信处理器控制，则分布式主机软件必须管理系统增益的状态并将其分成两个组件，每个组件位于不同的计算节点。这会带来相当大的软件复杂性。
一个潜在的解决方案是使用乘法 DAC（MDAC），而不是开关电阻增益选择。这可以提供高分辨率、无砰噗声的增益变化，但 MDAC 设备对于许多专业音频产品来说可能太昂贵了。或者，具有更多电阻组合的更多多路复用器路径可以提供更小的步长来近似连续增益控制，但这也会增加成本和复杂性，并可能降低音频性能。
简而言之，数字控制麦克风前置放大器增益的实现往往容易受到增益变化时的砰噗声/拉链噪音的影响，或者为了减轻砰噗声/拉链噪音而产生高成本和复杂性。
Cirrus Logic CS530xP使无砰噗声增益控制变得简单
Cirrus Logic 的 专业音频 ADCCS530xP 系列推出了 HGC，大大简化了麦克风前置放大器增益的无砰噗声数字控制。HGC 通过将图 2所示的传统系统的几个元素集成到 ADC 芯片中实现了这一目标。
可配置的菊花链 SPI 控制器可配置多达八个麦克风前置放大器的增益。每个 ADC 通道均配有一个模拟零交叉检测器，用于同步无砰噗声模拟增益变化。每个 ADC 信号路径都包含一个数字增益控制，以实现模拟电位器的连续控制感觉的插值增益。HGC 逻辑协调上述所有函数的操作，以执行精确同步、无故障增益更新。使用 HGC 的简化系统架构，如图 所示5。
当用户转动控制面上的增益控制旋钮时，主机软件会在CS530xP中写入寄存器来配置并请求麦克风前置放大器增益变化。这会导致 HGC 通过 SPI 控制麦克风前置放大器，以设置所需的增益变化。这与模拟零交叉精确对齐。由于 HGC 还可以控制数字音频信号路径，因此它可以精确地将数字增益变化与模拟增益变化对齐。这种模拟和数字增益变化与零交叉的精确对齐可确保无砰噗声的增益更新。
模拟增益和数字内插增益的状态都位于 CS530xP HGC 模块的寄存器中，由控制 ADC 的一个主机处理器控制。
与图 2 中所示的传统系统相比，HGC 系统硬件更简单，物料清单更少，软件更简单，增益变化时产生的砰噗声/拉链噪音更少。
混合增益控制的工作原理
HGC 增益变化的事件序列，如图 6所示。主机软件通过写入 HGC 寄存器来配置和触发增益更新，从而启动增益变化。这会导致 HGC SPI 接口将增益位模式发送到麦克风前置放大器的菊花链，以将其中一个配置为新命令的增益值（图 6 中的点 1）。增益位模式取决于麦克风前置放大器的设计。
在 HGC SPI 接口将增益位模式移入麦克风前置放大器后，SPI CSb 信号保持低位，直到在改变增益的通道上检测到零交叉（图 2中的点6）。这会导致 CSb 被取消置位，从而导致新的增益代码在麦克风前置放大器中生效，进而导致模拟信号路径（图 3 中的点）出现瞬时零交叉对齐增益变化6。
增益变化后，HGC 等待一段可配置的短暂持续时间（通常为 4-8 个采样周期，图 4中的点6），以补偿从麦克风前置放大器、通过模拟抗混叠滤波器、ADC 和抽取滤波器的信号路径延迟。
此时，HGC 执行精确定时的数字增益步长（图 5中的点6），以抵消模拟增益变化。然后，它开始将增益斜升到最终的微增益值（图 6中的点6）。在几十毫秒内增加增益，可避免引入可听见的瞬变。
使用现有的麦克风前置放大器设计实现无砰噗声操作
对于一些专业音频产品设计师来说，他们的麦克风前置放大器的设计和声音特性是至关重要的品牌资产和差异化功能。HGC 使产品设计人员能够通过其现有的麦克风前置放大器设计实现无砰噗声操作。任何麦克风前置放大器设计只要符合三个简单要求就可以使用：
具有阶梯式增益控制。增益步长不需要大小相等，并且可以具有任意数量的任意值的增益步长。增益必须可以通过菊花链 SPI 控制，这样可以通过将一个 SPI 位模式写入其菊花链 SPI 移位寄存器来改变增益，每个麦克风前置放大器的长度在 1 到 32 位之间。在 HGC 中，SPI 位模式编码以获得值是完全可配置的。在菊花链 SPI 操作结束时，增益变化必须在取消激活 SPI CSb 时立即生效。
一种简单而紧凑的实现方法是使用菊花链式 SPI 控制的模拟多路复用器将不同值的电阻器切换到麦克风前置放大器电路中。或者，可以将标准逻辑移位寄存器（例如 8 位74HCS595）与菊花链 SPI 一起使用，以类似于端口扩展器的方式提供静态逻辑输出，进而可以控制模拟多路复用器或直接控制分立晶体管。
HGC 支持 ADC 每个通道的麦克风前置放大器增益控制（对于 Cirrus Logic CS5308P来说，最多可达八个通道）。它还包括通过相同的 SPI 接口控制多达 64 位的附加 SPI 菊花链设备，以及麦克风前置放大器增益。这些可用于控制与输入路径相关的辅助硬件功能，而无需额外的微控制器 I/O 或串行接口。应用包括切换 +48V 体模电源、启用模拟高通滤波器、通过输入连接器控制 LED 或在平衡和非平衡输入之间切换。
易于从现有软件架构进行控制
使用 HGC 控制增益变化与现有方案类似，其中模拟增益和数字插补均由主机软件计算和设置。这意味着使用 HGC 所需的主机软件修改通常很小且范围有限。为了命令 HGC 增益变化，主机软件将四条信息写入 CS530xP ADC 芯片的 HGC 寄存器：
- 增益选择位模式：根据前置放大器的设计，将麦克风前置放大器设置为所选模拟增益设置的 SPI 位模式。
- 模拟增益：对应于所选麦克风前置放大器的新位模式的绝对模拟增益值，精确到 0.125dB。数字增益：实现用户设置的系统增益所需的数字插补值，精确到 0.125dB。
- 增益更新信号：表示上述三个项目均已写入，以便 HGC 现在可以执行同步增益变化。
与之前的数字增益控制实现一样，根据系统设计人员对管理动态范围的偏好，在主机软件中实现针对特定系统增益请求选择哪个模拟增益步长的算法。
模拟增益寄存器字段用于确定先前设置与新设置之间的麦克风前置放大器模拟增益差异。该差值用于确定数字增益步长的大小和方向，以在数字增益斜升到数字增益字段中指定的新值之前对模拟增益步长进行反差。
主机可以随时命令增益变化，并且保证在大约活动通道数乘以零交叉超时配置设置（最大 20ms）的时间内执行。在实践中，对于真实世界的音频信号，由于音频零交叉检测，其执行速度可能比实际情况快得多。
HGC 解决了长期设计挑战
Cirrus Logic 的CS530xP ADC 系列和其他专业音频产品上的 HGC 使实施数字控制的麦克风前置放大器变得简单且便宜，具有平稳、安静的增益变化，而不会产生砰噗声或拉链噪音。这解决了长期存在的设计难题，即实现麦克风前置放大器增益的数字控制，迄今为止，专业音频产品设计师面临着一个艰难的权衡：是增益变化时令人沮丧的砰噗声和拉链噪音，还是高复杂性和更大的物料清单（BOM）。
HGC 可通过现有的开关增益麦克风前置放大器设计轻松实现这些优势，并且易于从现有的主机软件架构进行控制。它简化了麦克风前置放大器增益控制的硬件设计，包括对虚拟电源、信号路径继电器或 LED 等辅助功能的集成控制。这一新功能与 123dB 动态范围和至少 -110dB THD+N 的先进 ADC 性能方便地集成，功耗仅为 25mW/通道 (Cirrus Logic CS5308P)。
HGC 使类似电位计的数字麦克风前置放大器增益控制具有卓越的用户体验，不会产生砰噗声或拉链噪音，并且能够以实惠的成本在所有专业音频产品层级提供。
本文最初于 202311 月在 audioXpress 上发表。
