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CM7104：游戏音频DSP芯片，Xear音效引擎

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CM7104：游戏音频DSP芯片，Xear音效引擎

产品概述

CM7104是一款基于310MHz DSP核心的高性能音频处理芯片，专为游戏音频设备和专业音频应用设计。该芯片集成了768KByte内部存储器、高质量音频编解码器和多种数字音频接口，采用低功耗架构，在保持高性能的同时优化了功耗表现。CM7104主要面向游戏耳机、USB音频设备、专业音频处理设备等应用场景，通过硬件集成的Xear音效音频处理算法提供实时音频效果处理能力。

芯片采用LQFP封装，封装尺寸符合工业标准，便于系统集成和PCB布局设计。内部集成PLL时钟发生器，支持灵活的时钟输入配置。CM7104的架构设计充分考虑了游戏音频处理对实时性和音质的要求，在310MHz工作频率下能够实现复杂的音频算法处理，同时保持较低的功耗水平。

技术架构

CM7104采用单芯片DSP架构，核心处理单元基于310MHz的DSP处理器，配备768KByte内部存储器用于算法运行和数据缓存。芯片内部集成两个独立的音频处理路径：播放路径和录制路径，每个路径都支持最高192kHz的采样率。

数字音频接口部分包含两个I2S/PCM/TDM接口，支持主从模式配置。每个接口都包含独立的采样率转换器（ASRC），能够处理不同采样率的音频流。模拟音频接口集成2通道DAC和2通道ADC，DAC支持24位分辨率，信噪比达到100-110dB，ADC支持24位分辨率，信噪比为90-100dB。

控制接口方面，CM7104提供I2C主从模式接口和SPI接口，SPI接口最高支持28MHz时钟频率。芯片还提供1个GPIO引脚用于系统控制和状态指示。电源管理单元支持多电压域操作，核心电压1.2V，I/O电压3.3V，内置电源监控和低功耗模式控制。

芯片内部集成数字麦克风接口，支持2个立体声数字麦克风输入，兼容PDM格式。侧音生成器（Sidetone）允许将录制路径的音频混合到播放路径，便于实时监听。JTAG调试接口提供完整的开发调试支持。

核心功能

语音处理功能

CM7104集成Xear音效 Volear环境噪声消除（ENC降噪）HD技术，专门针对双全向麦克风阵列优化。该技术提供20-40dB可调节的环境噪声消除能力，能够同时处理动态噪声和稳态噪声。麦克风自动校准机制支持双麦克风灵敏度校准和生产过程中的失配补偿，允许两个麦克风之间8-14厘米的放置距离范围。

在ENC降噪 HD功能启用时，麦克风输入自动增益控制（AGC）确保ADC录制质量的一致性。声学回声消除（AEC）HD和长距离录音（LDR）处理模式专门为扬声器电话应用优化，提供清晰的语音通信质量。单麦克风降噪（NR）HD处理模式适用于摄像机/录音笔等设备，支持最高32kHz高保真语音处理。

音频处理功能

Xear音效环绕声耳机技术通过硬件算法模拟多声道环绕声效果，在立体声耳机上提供沉浸式的音频体验。Xear音效声音扩展器增强音频的空间感和宽度，Xear音效 Sonic技术组合包含动态低音、音频增强、语音清晰度和智能音量等算法。

均衡器提供10波段可调节EQ，每个波段支持频率、增益和Q值独立配置。动态低音算法根据音频内容自动调节低音响应，音频增强技术提升音频的清晰度和细节表现，语音清晰度优化专门针对语音内容进行频响优化，智能音量自动调节输出电平，避免突然的音量变化。

接口功能

I2S/PCM/TDM数字音频接口支持最高192kHz采样率和24位分辨率，支持标准I2S、左对齐、右对齐和TDM格式。SPI控制接口最高时钟频率28MHz，支持多设备菊花链连接。I2C接口支持标准模式（100kHz）和快速模式（400kHz），可作为主设备或从设备使用。

数字麦克风接口支持PDM格式，每个接口可连接两个数字麦克风，提供时钟和数据信号。模拟音频接口包含独立的DAC和ADC通道，支持单端输出和差分输出配置。

性能参数

电气特性

  • 工作电压：核心电压1.2V ±5%，I/O电压3.3V ±10%
  • 功耗：正常模式85mA @ 1.2V，待机模式15mA @ 1.2V
  • 工作温度范围：-40°C to +85°C
  • ESD保护：HBM 2kV，CDM 500V

音频性能

  • DAC性能：

    • 信噪比：100-110dB (A-weighted)
    • 总谐波失真+噪声：-90dB @ 1kHz
    • 动态范围：100dB
    • 采样率支持：8kHz - 192kHz

  • ADC性能：

    • 信噪比：90-100dB (A-weighted)
    • 总谐波失真+噪声：-85dB @ 1kHz
    • 动态范围：95dB
    • 采样率支持：8kHz - 192kHz

数字接口特性

  • I2S接口：支持16/24/32位数据宽度
  • SPI接口：最高时钟频率28MHz
  • I2C接口：标准模式100kHz，快速模式400kHz
  • GPIO：3.3V CMOS电平，最大驱动电流8mA

应用场景

游戏耳机应用

在游戏耳机应用中，CM7104提供完整的音频处理解决方案。Xear音效环绕声耳机技术为游戏玩家提供沉浸式的音频定位体验，环境噪声消除功能确保语音通信的清晰度。均衡器允许用户根据游戏类型和个人偏好自定义音频效果。

典型系统配置包含CM7104作为音频处理核心，搭配CM6530N Class D放大器驱动耳机扬声器。双麦克风阵列布置在耳机杆上，距离约10厘米，通过ENC降噪 HD技术实现背景噪声消除。智能音量功能自动调节游戏音效和语音聊天的相对电平，避免突然的大音量冲击。

USB音频设备

在USB音频接口应用中，CM7104通过I2S接口连接USB音频控制器，提供专业的音频处理能力。声学回声消除模式适用于USB扬声器电话，长距离录音模式适合会议录音设备。数字麦克风接口直接连接MEMS麦克风，简化系统设计。

专业音频处理

在专业音频设备中，CM7104的310MHz DSP处理能力支持复杂的音频算法运行。10波段均衡器提供精确的频响调节，动态低音算法增强低频响应。高精度的采样率转换器确保不同采样率音频源的无缝切换和处理。

设计指南

硬件设计要点

电源设计需要独立的1.2V核心电源和3.3V I/O电源，推荐使用低噪声LDO稳压器。每个电源引脚都需要布置去耦电容，1.2V电源使用10μF坦电容和100nF陶瓷电容组合，3.3V电源使用10μF坦电容和100nF陶瓷电容组合。

时钟电路设计支持外部时钟输入或晶体振荡器，推荐使用24.576MHz或22.5792MHz时钟源。时钟信号布线需要保持50欧姆特征阻抗，避免与其他数字信号交叉。

音频接口布局应将模拟部分和数字部分隔离，模拟地平面和数字地平面在芯片下方单点连接。I2S信号线需要等长布线，长度差异控制在50mil以内，减少时序偏差。

软件配置

芯片初始化通过I2C或SPI接口完成，需要配置PLL参数、音频接口格式、处理算法使能等参数。DSP算法参数通过寄存器配置，支持实时更新。均衡器系数通过特定寄存器组设置，每个波段需要配置频率、增益和Q值三个参数。

固件开发支持JTAG调试接口，配合开发工具链进行算法调试和优化。算法库提供标准API接口，支持客户自定义算法集成。

系统集成

在典型游戏耳机系统中，CM7104作为音频处理中心，连接数字麦克风、扬声器驱动和主控制器。主控制器通过I2C接口配置CM7104参数，音频数据通过I2S接口传输。系统支持实时模式切换，如游戏模式、音乐模式、通信模式等，每种模式对应不同的算法组合和参数设置。

技术优势

CM7104的单芯片架构相比传统分立方案显著减少了系统复杂度和BOM成本。310MHz DSP处理能力支持多个音频算法同时运行，768KByte内部存储器提供充足的算法运行空间。

Xear音效音频处理算法在硬件层面实现，相比软件处理方案具有更低的延迟和更高的处理效率。环境噪声消除技术采用双麦克风波束成形算法，在保持语音质量的同时提供20-40dB的噪声抑制。

灵活的接口设计支持多种系统架构，I2S接口可连接各种音频编解码器，SPI和I2C接口提供丰富的控制选项。低功耗架构特别适合便携式设备，待机功耗仅15mA。

实际应用案例

游戏耳机参考设计

Cmedia提供的CM7104+CM6530N Class D演示板展示了完整的游戏耳机解决方案。该参考设计采用双麦克风阵列，麦克风间距12厘米，通过ENC降噪 HD技术实现环境噪声消除。演示板包含完整的硬件设计文件，支持USB和3.5mm模拟输入。

在实际测试中，该方案在90dB的环境噪声下能够保持清晰的语音通信质量，噪声抑制效果达到25dB。环绕声耳机算法在FPS游戏中提供准确的声源定位，均衡器允许玩家根据游戏类型调节音频特性。

专业USB音频接口

某音频设备制造商在USB音频接口产品中采用CM7104作为音频处理核心。该产品支持24位/192kHz音频采集和回放，集成Xear音效声音扩展器和动态低音算法。在实际应用中，该产品被用于播客录制和音乐制作，均衡器提供专业的音色调节能力。

测试数据显示，该产品在48kHz采样率下的回路延迟为3.2ms，满足实时音频处理的要求。智能音量功能在直播应用中自动平衡背景音乐和语音电平，提升听众体验。