CM9600 双I2S音频编解码器：嵌入式多核音频系统的统一音频枢纽

1. 产品定位与市场背景

在智能手机、平板电脑、智能音箱等嵌入式音频系统中，音频信号的路由远比PC平台复杂。以智能手机为例，应用处理器（AP）负责音乐播放和语音通话，蓝牙模块处理无线音频，基带处理器管理通信功能——这三个子系统往往工作在不同的采样率下，彼此间需要稳定可靠的音频数据桥接。传统方案要么依赖复杂的时钟同步电路，要么在系统间引入SRC（采样率转换）造成的音质损失。

CM9600 是骅讯电子（C-Media）推出的一款高性能双I2S接口音频编解码芯片，正是为解决上述痛点而生。它内置双路独立I2S/TDM接口，配合异步采样率转换器（ASRC），实现了真正意义上的"跨时钟域"音频连接。同时，芯片集成了100dBA动态范围的DAC、94dB SNR的ADC、无电容耳机放大器，以及风噪抑制、DRC、7段参数EQ等DSP功能，一颗芯片解决了嵌入式音频系统的全链路需求。

2. 核心规格一览

3. 双I2S架构：跨时钟域的工程难题与CM9600的解法

3.1 为什么嵌入式音频需要双I2S

I2S（Inter-IC Sound）是嵌入式音频系统中最常用的音频总线协议。其基本时钟关系由采样率（Fs）决定：Bit Clock（BCLK）= Fs × 采样精度 × 通道数。例如，48kHz/24-bit/立体声的BCLK为 48kHz × 24 × 2 = 2.304MHz。

在单芯片手机方案中，应用处理器（AP）通常工作在自己独立的PLL时钟域（比如44.1kHz/48kHz家族），而蓝牙音频模块通常工作在48kHz固有时钟下。当AP需要把音频数据转发给蓝牙模块播放时，两者的时钟即使标称相同，实际频率也会有几十PPM的偏差，直接通过I2S传输会导致数据堆积或溢出，产生爆音。

传统解法是在AP和蓝牙之间增加一颗独立的SRC芯片，但这增加了BOM成本和PCB面积；或者在软件层面做缓冲和重采样，但这会占用宝贵的处理器算力。CM9600的方案是在芯片内部集成ASRC，物理层上消除了时钟差异——两个I2S接口各自接收数据，ASRC在内部完成采样率转换，再送往对应的输出端。

3.2 ASRC工作原理与性能

CM9600内置的ASRC（异步采样率转换器）工作在芯片内部独立的时钟域。输入I2S接口接收来自外部主设备的音频数据流（即便其时钟频率有偏差），ASRC先将数据送入一个缓冲FIFO，然后以芯片内部的高精度基准时钟为参考，重新生成目标采样率的音频数据流输出。

ASRC的核心指标是THD+N（总谐波失真加噪声）和动态响应。CM9600的ASRC在48kHz→48kHz直通模式下，THD+N优于-100dB（参考官方数据手册确认具体曲线）。对于从44.1kHz到48kHz的实时转换场景，CM9600能保持极低的互调失真，听感上与直接原生播放无异。

ASRC还有一个隐性优势：它天然充当了时钟 jitter（抖动）的滤波器。数字音频系统中的时钟抖动会在DAC输出端产生失真，ASRC的缓冲机制有效吸收了外部时钟的抖动成分。

4. 音频前端：ADC与DAC性能解析

4.1 DAC通道

CM9600的DAC输出规格达到100dBA SNR（A加权）、-86dB THD+N，支持24-bit/192kHz采样率。这个性能在便携设备Codec中属于中上水平，足以满足：

• 有线耳机的监听级输出
• 智能手机的Speaker外放
• 蓝牙模块的音频输入（通过I2S接口B输出）

配合无电容耳机放大器（Cap-less HP Amp），CM9600可以直接驱动16Ω至32Ω耳机，无需外部隔直电容。对于设计空间敏感的TWS耳机充电盒方案，这能节省两个220µF的输出电容以及相关布板面积。

4.2 ADC通道

ADC侧提供94dBA SNR、-83dB THD+N，配合+52dB可编程增益放大器（PGA），支持从微弱咪头信号到高声压级（>120dBSPL）的宽范围输入。

这个增益范围的意义在于：CM9600可以直接接入MEMS麦克风（灵敏度约-26dBFS/Pa）或高灵敏度驻极体麦克风（灵敏度约-38dBFS/Pa），无需额外的外部放大器。+52dB的PGA范围覆盖了从远场（智能音箱，MIC距离声源1-3米）到近场（手机耳麦，即插即用）的各类应用。

5. TDM接口与麦克风阵列

CM9600的主I2S接口支持TDM（时分复用）模式，在该模式下，单条I2S数据线上可以传输多达8个通道的音频数据。这是智能音箱、多麦克风通话耳机等应用场景的关键特性。

以4麦克风线性阵列为例：4个MEMS麦克风各自将模拟信号转为数字I2S输出，但4条独立的I2S数据线会占用大量GPIO。CM9600的TDM接口将这些通道按时分复用合并为一条数据流，硬件上只需要CLK、WS和DATA三根线即可，极大简化了布线。

TDM数据随后进入芯片内部的DSP引擎做Beamforming（波束成形）处理：利用各麦克风接收信号的时延差异计算声源方向，然后增强来自目标方向的声音、抑制来自其他方向的噪声。这在远场语音唤醒（"Hi, Siri"类场景）中尤为重要——在70-80dB环境噪声下，系统需要从3米外准确捕捉用户语音指令。

6. DSP音效处理功能

CM9600内置的DSP功能对于不需要主处理器参与音效处理的场景尤为重要：

7段参数均衡器（PEQ）：允许在数字域对输出音频做频率响应补偿。工程师可以根据扬声器或耳机的实际频响曲线预设PEQ参数，补偿物理单元的先天不足，提升最终听感。例如，在一个小尺寸Speaker上提升低频下潜，或在通话场景中衰减200-400Hz的喉音能量。

动态范围控制（DRC）与自动增益控制（AGC）：DRC压缩过高动态防止削波失真，AGC自动提升过低信号使其更加突出。两者结合能保证无论用户说话声音大小，输出电平都维持在一个相对稳定的范围。

风噪抑制（WNR）：针对户外场景的风声干扰，CM9600内置专用风噪抑制滤波器。这是通过检测音频信号中的低频能量异常和相关性异常来识别风噪，然后做自适应滤波。在骑行者佩戴耳机接听电话时，该功能尤为实用。

7. 无电容耳机放大器设计考量

传统Class AB/Class D耳机放大器通常需要在输出端串联一个大电容（通常220µF至470µF）来阻隔输出端的直流偏置，防止直流电平损伤耳机单元。CM9600采用创新的"True Cap-less"架构，放大器输出端直流电平被精确控制在接近0V，消除了对隔直电容的依赖。

这一设计带来三个工程层面的实际价值：

节省PCB面积：两个220µF/0603的MLCC电容加上布板空间，合计约40mm²。对于TWS耳机充电盒或智能手表等高密度设计方案，这是不小的节约。

改善低频响应：隔直电容与耳机阻抗形成一个高通滤波器，-3dB截止频率 = 1/(2π×R×C)。以32Ω耳机+220µF计算，f_c ≈ 22.6Hz，已经超出了人耳可感知范围。但如果用更小封装（如智能手表方案中常见的100µF），截止频率就会上升到50Hz左右，明显影响低频体验。Cap-less设计则完全消除了这个问题。

降低BOM成本：省略了隔直电容和相关的保护电路元件。

8. 典型应用电路

8.1 智能手机音频子系统

在智能手机中，CM9600通常作为一颗独立的Audio Hub Codec使用：

• I2S接口A 连接应用处理器（AP），接收高采样率音乐数据（192kHz/DSD）或语音通话数据
• I2S接口B 连接蓝牙音频SoC，接收蓝牙音乐流或向蓝牙模块发送通话数据
• ADC通道 接入顶部和底部的两颗MEMS麦克风，用于通话降噪和语音唤醒
• DAC + HP Amp 驱动有线耳机或Line-out输出

AP和蓝牙模块各自工作在48kHz时钟域，CM9600的ASRC在中间完成透明的数据桥接，无需两者时钟同步。

8.2 智能音箱麦克风阵列

在智能音箱中，CM9600的角色偏向音频输入侧：

• TDM接口 接入4-8颗MEMS麦克风组成的环形或线性阵列
• ADC采集 的多通道数据在芯片内做Beamforming处理
• I2S输出 将增强后的语音数据送往主控处理器（ARM Cortex-A系列）
• DAC + HP Amp 保留用于本地语音反馈或调试输出

这种架构下，主控处理器无需参与麦克风信号的采集和预处理，大幅降低了CPU占用率和功耗。

9. 选型对比：CM9600 vs 同类方案

CM9600的核心优势在于双I2S + ASRC的组合，这是很多单一I2S接口Codec所不具备的能力。对于需要同时桥接AP和蓝牙模块的方案，CM9600可以省去外部SRC芯片或额外的一颗Codec。

10. 设计注意事项

电源设计：CM9600的模拟域和数字域独立供电，建议在两者之间加入磁珠（Ferrite Bead）隔离，防止数字开关噪声窜入模拟前端。模拟供电推荐LDO的噪声密度低于15µV/√Hz（参考官方数据手册确认具体推荐值）。

时钟要求：虽然ASRC可以容忍外部时钟偏差，但如果使用外部晶体振荡器作为参考时钟，建议选择PPM精度优于±20ppm的晶体，以获得最佳的ASRC转换质量。

PCB布局：I2S数据线和时钟线应保持等长，差分对内长度差控制在5mil以内。I2S接口属于高速数字信号，应远离ADC输入端的模拟麦克风走线，防止数字开关噪声干扰微弱模拟信号。

TDM时序配置：在多通道TDM模式下，需要正确配置帧长（Frame Length）和数据位置（Slot Assignment），确保各麦克风通道数据对齐。具体参数请参考官方数据手册中的TDM时序图。

总结

CM9600是嵌入式音频系统中一颗定位精准的芯片：双I2S接口配合ASRC，解决了多处理器架构下的跨时钟域音频桥接难题；192kHz/24-bit音频规格和94-100dB的动态范围，满足了Hi-Res Audio的准入门槛；内置DSP和无电容耳放进一步简化了外围电路设计；TDM接口则使其天然适配智能音箱麦克风阵列方案。

对于硬件工程师而言，在需要同时连接应用处理器和蓝牙模块的便携设备中，CM9600提供了一种单芯片全解决的思路——省去外部SRC芯片、减少Codec数量、简化时钟树设计，不失为一个高性价比的选型方向。