CM9600：双I2S音频编解码器，智能手机与智能家居应用
产品概述
CM9600是一款高性能、低功耗的双I2S接口音频编解码器，专为需要高质量音频处理和灵活接口配置的嵌入式系统设计。该芯片适用于智能手机、平板电脑、便携式音频设备、智能家居系统和车载信息娱乐系统等多种应用场景。CM9600集成了先进的音频处理功能和灵活的接口配置，能够满足现代音频系统对音质、功耗和系统集成的严格要求。
产品采用单芯片架构，整合了完整的音频信号链，包括模拟输入输出、数字信号处理和多种数字接口。双I2S接口设计支持与不同处理器的独立连接，为多处理器系统架构提供了灵活的音频解决方案。芯片内置的异步采样率转换器（ASRC）确保在不同时钟域之间的无缝音频数据传输。
技术架构
CM9600采用混合信号CMOS工艺制造，集成了高性能的模拟前端和数字信号处理核心。芯片架构包含三个主要部分：模拟输入输出模块、数字信号处理引擎和数字接口控制器。
模拟部分包含两个立体声模数转换器（ADC）和两个立体声数模转换器（DAC）。ADC采用多位Delta-Sigma架构，支持94dBA的信噪比（SNR），THD+N指标达到-83dB。DAC部分采用先进的过采样技术，实现100dBA的信噪比，THD+N为-86dB。模拟输入包括立体声线路输入和差分麦克风输入，麦克风前置放大器提供+20dB至+52dB的可编程增益。
数字信号处理核心包含两个异步采样率转换器、7段参数均衡器、动态范围控制（DRC）、自动增益控制（AGC）和风噪抑制滤波器。每个ASRC支持独立的采样率转换，允许不同接口工作在不同的采样频率下。均衡器支持DAC通路和ADC通路的独立配置，提供灵活的音频调校能力。
接口部分包含两个独立的I2S接口和I2C控制接口。第一个I2S接口支持标准I2S模式和TDM（时分复用）模式，TDM模式最多可传输8通道数据。第二个I2S接口为标准立体声配置。两个接口均支持8kHz至192kHz的采样频率和24位数据精度。
核心功能
双I2S接口架构
第一个I2S接口支持双模式操作：标准I2S模式和TDM模式。在TDM模式下，接口可以收发最多8个通道的音频数据，支持多通道音频应用。传输数据可以来自模拟输入或数字麦克风输入，接收数据可以输出到耳机放大器、线路输出或PDM输出。第二个I2S接口为标准立体声配置，为系统提供额外的音频数据通路。
异步采样率转换器
每个I2S接口配备独立的异步采样率转换器（ASRC），支持不同处理器之间的异步连接。ASRC允许应用处理器、基带处理器和无线收发器（如蓝牙模块）使用各自独立的时钟源，消除了系统对同步时钟的依赖。转换器支持8kHz至192kHz的输入输出采样率，确保音频数据在不同时钟域之间的无缝转换。
音频处理引擎
7段参数均衡器支持DAC通路和ADC通路的独立配置，每个频段提供中心频率、增益和Q值的可编程控制。增强型动态范围控制（DRC）和自动增益控制（AGC）功能可根据输入信号电平动态调整增益，优化动态范围。风噪抑制滤波器专门针对户外应用环境设计，有效降低风噪对语音质量的影响。
数字麦克风接口
集成单通道数字麦克风接口，支持PDM格式的麦克风输入。数字麦克风接口与模拟麦克风输入并行工作，为系统提供灵活的麦克风配置选项。接口支持标准的时钟和数据信号格式，兼容主流数字麦克风器件。
无电容耳机放大器
立体声无电容耳机放大器采用创新的输出级设计，无需外部直流阻隔电容。放大器在1.8V供电电压下，每声道可输出20mW功率（16欧姆负载，THD+N≤-80dB）。低功耗设计特别适合电池供电的便携设备，在保持高质量音频输出的同时优化系统功耗。
性能参数
模拟性能指标
- DAC动态范围：100dBA（A加权）
- DAC THD+N：-86dB（线路输出，0dB增益）
- ADC动态范围：94dBA（A加权）
- ADC THD+N：-83dB（线路输入，0dB增益）
- 耳机放大器输出功率：20mW/声道（1.8V供电，16欧姆负载，THD+N≤-80dB）
- 麦克风前置放大器增益范围：+20dB至+52dB，8级可编程
数字接口规格
- I2S接口支持采样率：8kHz至192kHz
- 数据精度：24位
- TDM模式支持通道数：最多8通道
- I2C控制接口速率：标准模式（100kHz）和快速模式（400kHz）
电源特性
- 模拟电源电压（AVDD）：1.6V至1.98V
- 核心电源电压（CPVDD）：1.6V至1.98V
- 数字I/O电源电压（IOVDD）：1.6V至3.6V
- 功耗模式：多种低功耗模式支持系统级功耗优化
工作条件
- 工作温度范围：-40°C至+85°C
- 存储温度范围：-65°C至+150°C
- ESD保护：所有引脚符合JESD22-A114标准
应用场景
移动通信设备
在智能手机和平板电脑应用中，CM9600的双I2S接口架构支持与应用处理器和基带处理器的并行连接。ASRC功能允许两个处理器使用独立的时钟源，简化系统时钟设计。无电容耳机放大器节省PCB面积，同时提供高质量的音频回放。数字麦克风接口支持最新的beamforming麦克风阵列，提升语音通话质量。
便携式音频设备
便携式音乐播放器和蓝牙音箱利用CM9600的高性能音频指标和低功耗特性。100dBA的DAC动态范围确保高解析度音频内容的准确重现。7段参数均衡器提供精确的音调调校，适应不同音乐风格和个人偏好。增强型DRC/AGC功能优化不同音量级别的听感体验。
智能家居系统
智能音箱和语音助手设备受益于CM9600的麦克风处理能力。差分麦克风输入配合可编程增益放大器，支持远场语音采集。风噪抑制滤波器改善户外使用场景的语音识别率。TDM接口支持多麦克风阵列配置，实现声源定位和噪声消除。
车载信息娱乐
车载音频系统利用CM9600的宽温度范围工作和 robust 的接口设计。双I2S接口支持与主处理器和辅助音频源的并行连接。ASRC确保不同音频源之间的无缝切换，消除时钟抖动引起的音频失真。零检测和软音量控制消除操作过程中的爆裂声。
设计指南
硬件设计要点
电源设计需要关注模拟、数字和I/O电源的分离。建议使用LDO为模拟和核心电源供电，确保电源噪声满足音频性能要求。AVDD和CPVDD的典型值为1.8V，IOVDD根据系统接口电压选择1.8V或3.3V。电源去耦电容应靠近芯片引脚放置，推荐使用10μF钽电容和100nF陶瓷电容并联。
时钟电路设计需考虑系统时钟需求。芯片内部PLL支持宽范围时钟输入，从512kHz到50MHz均可正常工作。对于要求低抖动的应用，建议使用专用的音频时钟发生器。晶体振荡器电路需要严格按照数据手册推荐的值选择负载电容。
模拟电路布局应遵循音频设计最佳实践。模拟输入输出走线应远离数字信号和开关电源。差分麦克风输入应使用对称布线，保持阻抗匹配。线路输出建议使用RC滤波器抑制高频噪声。
软件配置流程
器件初始化通过I2C接口完成。首先配置电源管理寄存器，依次开启各个功能模块的电源。然后设置时钟相关寄存器，配置PLL参数和各个接口的采样率。接着配置音频通路，选择输入输出路由和增益设置。最后使能所需的音频处理功能，如均衡器、DRC/AGC等。
音频处理参数配置需要根据具体应用调整。均衡器参数可通过频响测量工具辅助调校。DRC阈值和比率应根据输入信号动态范围设置。AGC攻击和释放时间需要根据语音特性优化。
系统集成考虑
在多处理器系统中，CM9600的双I2S接口可以独立配置工作模式。主接口可配置为TDM模式连接应用处理器，副接口配置为标准I2S模式连接蓝牙模块。ASRC确保两个接口工作在不同采样率时的数据同步。
功耗管理需要结合系统使用场景。芯片支持多种低功耗模式，包括待机模式、部分关断模式和完全关断模式。软件应根据音频活动状态动态切换功耗模式，优化系统续航时间。
技术优势
CM9600在架构设计上采用多项创新技术提升系统性能。双I2S接口配合独立的ASRC，解决了多处理器系统中的时钟同步难题。传统的多处理器音频系统需要复杂的时钟网络确保各个接口的同步，CM9600的ASRC技术允许每个接口使用独立的时钟源，大幅简化系统设计。
无电容耳机放大器架构消除了输出直流阻隔电容，节省约40mm²的PCB面积。传统耳机放大器需要两个220μF的电容用于输出直流隔离，CM9600的创新输出级设计通过内部偏置技术实现直流失调电压消除，同时保持优异的THD性能。
7段参数均衡器采用全数字架构，支持DAC和ADC通路的独立配置。相比模拟均衡器方案，数字均衡器具有更高的精度和灵活性，支持动态参数调整而不会引入额外的噪声。每个频段的中心频率、增益和Q值均可独立编程，支持复杂的音频调校需求。
增强型DRC/AGC算法采用多段式处理架构，相比传统单段DRC具有更平滑的增益调整特性。算法支持独立的阈值、比率、攻击时间和释放时间设置，适应不同动态特性的音频信号处理需求。
实际应用案例
高端智能手机音频子系统
在某品牌旗舰智能手机设计中，CM9600作为主要音频编解码器，负责处理语音通话、媒体播放和语音助手功能。系统架构中，CM9600的主I2S接口以TDM模式连接应用处理器，传输8通道音频数据用于多麦克风波束成形。副I2S接口连接蓝牙/Wi-Fi组合芯片，处理无线音频流。
在该应用中，CM9600的差分麦克风输入连接4个MEMS麦克风组成阵列，配合TDM接口实现声源定位和环境噪声消除。+52dB的麦克风增益支持远场语音采集，满足语音助手在嘈杂环境中的唤醒需求。无电容耳机放大器驱动32欧姆高阻抗耳机，在1.8V供电下提供清晰的音频回放。
实际测试数据显示，语音通话场景下系统功耗较前代方案降低15%，主要得益于芯片的低功耗架构和智能电源管理。音频质量测试中，耳机输出的THD+N在1kHz、-3dBFS条件下达到-82dB，优于设计规格要求。
智能音箱参考设计
Cmedia提供的智能音箱参考设计采用CM9600作为音频处理核心，配合CM6531N USB音频控制器实现完整的语音交互系统。参考设计支持6个数字麦克风组成的环形阵列，通过CM9600的TDM接口采集多通道音频数据。
在该设计中，CM9600负责前端音频信号处理和初步降噪。风噪抑制滤波器有效抑制空调出风口引起的低频噪声，提升语音识别准确率。7段均衡器针对音箱腔体特性进行补偿，优化频响曲线。ASRC功能允许主处理器和蓝牙模块使用不同的时钟源，简化系统时钟树设计。
量产测试结果显示，该参考设计在3米距离的语音唤醒率达到98.5%，在65dB环境噪声下的识别准确率保持90%以上。功耗测试中，待机状态下的系统功耗为35mW，语音激活状态下为280mW，满足能源之星相关标准。