Yan Goh/欧胜微电子股份有限公司

     产品市场工程师 当移动电话遇到了掌上电脑，两种差异巨大的音响世界碰到了一起。几年过去了，模拟工程师们仍然在努力使处理语音、音乐回放和铃声的集成方案进一步完美，让我们来研究什么是完美的方案。背景 数字音频技术曾经简洁地整合到高保真音响（Hi-Fi）和电话技术中。Hi-Fi通常指立体声、16 bit的分辨率和44.1kHz的采样率，它们是最初的激光唱片的格式。另一方面，电话技术一直是单声道和低分辨率，典型的是8 bit和8kHz的数字化方式。这样，不同的混合信号集成电路被应用在上述不同的方案中。Hi-Fi音频编解码器很快就采用了多比特的西格玛-德尔塔技术来提高音响质量，而电话领域里仍然广泛使用着简单的、低数据率的低成本转换器，它们限制了音响质量的提高。 同时，两种编解码器也有不同的接口，现在Hi-Fi立体声出现了许多数据格式，今天应用最广泛的就是I2S（跨芯片音响）。电话编解码器一般来讲采用脉冲编码调制（PCM）界面。严格意义上来讲，PCM是今天应用的主要的数字格式，包括I2S；它最初的目的是区别数字编码和模拟技术如频率调制。但是，在数字电话技术中，PCM通常指的是一种特殊的、与Hi-Fi立体声不兼容的单相数字格式。 计算机音响的兴起已经推动另外一种界面。当质量的需求与已经建立的消费音响市场相类似时，就产生了一种播放在不同采样率(可以关注到的是8kHz, 44.1kHz和48kHz)下录制的音频文件的需求，可以用软件实现采样率的转化，但是它对计算能力的需求很高。广泛应用的AC’97标准因此为编解码器赋予了这个任务，同时通过使用相应的硬件也应用得更加高效。AC’97成为了计算机音响的事实标准。 便携式系统最初保留了它们各自原有的格式，个人用的CD、MD和MP3播放机都曾经采用I2S的数模转换器（DAC），移动电话则坚持采用PCM，带有音频功能的PDA一般都采用与桌面电脑相同的AC’97编解码器。所以不奇怪，在第一代的复合型的系统中通常包含了电话和PDA的电路，它们在同一个盒子里依次排列，一颗通讯处理器控制着PCM语音编解码器，同时一颗应用处理器控制着Hi-Fi立体声（AC’97或者I2S）编解码器。但是，在两个音响子系统中没有设计该项功能的编解码器提供很少的连接或者根本不互相连接。分离的固态开关通常被塞进了模拟信号路径中，带来了噼啪声音、谐波失真和更大的印制板面积。 集成 有证据表明，根据应用而定制集成方案是大有裨益的。“系统级芯片(SoC)”的哲学引导一些厂商把立体声DAC或者编解码器和其他更大的芯片集成在一起。但是，这样的一条道路不能得到专门的音频芯片所产生的音响质量。当把功率管理和音频芯片放在一起时就会牺牲音响的质量，因为电源的整流器会向邻近的音频信号线路发射音频噪声。把音频部分集成到数字集成电路中同样也有问题，因为一般来讲真正的Hi-Fi元器件需要专门为混合信号应用优化的0.35微米的工艺，而数字逻辑电路的线宽已经窄到0.18微米及以下。如果两种电路在一块芯片上共同存在，就会要么牺牲模拟区域内的性能，要么使整个芯片不得不采用更大的几何尺寸，这样芯片的大小就会扩大到不可接受的尺寸。 扬声器的放大器尤其特别难集成，因为它们产生需要发散大量的热能。许多混合的芯片缺乏此项功能，由于需要一个外置的扬声器驱动器，所以不能够把它们看成是“系统级芯片”。另外一个共同的问题就是，芯片尽可能缩小，会带来模拟输入和输出的不足。在一个引线在四条边排开的四边形封装中，像常用的QFN（四边、平面无引线）封装，在芯片的大小已经很大的情况下再从每边往外延长1mm去适应几个额外的引线，就会导致芯片在印制板上的额外面积大幅度增加。例如，5x5mm和6x6mm的封装额外要求11mm(2), 而10x10mm的封装时的数字是21mm(2)。 专用的音频芯片避免了这些问题，总体的芯片数量仍然可以通过集成其他混合信号功能而减少，这些功能包括触摸屏的数字化、语音和Hi-Fi编解码器。当语音的编解码器集成到一块电话芯片里时，一个带有额外模拟输入、输出和内部混合的Hi-Fi编解码器也许是合适的。但是即使在这种情况下，仍然需要一个双编解码器来配合一个蓝牙耳机，因为许多蓝牙编解码器拥有一个PCM接口。 音频集成可以用很多种方法来实现，分享ADC和DAC能够降低硬件成本，但是不能实现同时播放或录制两个音频流。每个功能有独立的转换器即可解决这个问题，并且延长了电池的寿命，因为电话音频单元可以用比Hi-Fi功耗低的方法来设计，不过这种方法提高了硅的成本。通常情况下的折衷方案是有独立的DAC加共用的ADC，这允许在打一个电话时还播放音频（例如第二个打进来的电话铃声或者音乐），但是在打电话的过程中应用处理器就没有录音功能，这是一种可以接受的限制，因为用户不大可能从这种使用方案中发现太大的价值。ADC的功耗能够被检测和控制，这样可以停止一个通道，而其他可以运行在较低的采样率。 它带有一个语音DAC、一个立体声Hi-Fi DAC和两个可以路由到PCM接口或I2S接口的ADC，本图的左边是带有前级放大的麦克风输入和线路，右边是混合功能和输出放大器。时钟和接口 虽然有可能在通信和应用区域之间共享内部电路单元，但是对于接口并不是完全正确。这是因为在每个音频流都运行在有自己时钟频率的独立时钟范围内，由于这种情况，整合的智能电话编解码器需要一个PCM接口和一个独立的I2S或者AC’97连接。 在完整的系统中，音频时钟通常是由晶体振荡器产生。例如AC’97指定了相应的编解码器有一个片上振荡器连接到24.576MHz（512X48kHz）晶体，同时I2S器件采用一种采样率的倍数，通常是256倍。但是在智能电话的设计中，由于额外的功率消耗、电路板空间和晶体时钟成本使设计者从另一个电路板上已经存在的来衍生Hi-Fi音频时钟。尽管使用了偶数频率要求一块锁相环（PLL）来完成，但是这种方案仍然比额外的晶振实惠，低功耗、低成本的锁相环能够以很低的成本集成到混合信号集成电路中去。 这种争论在需要时钟的其他子系统同样存在，例如在带视频功能的智能电话中MPEG解码器的标准27MHz的时钟。对于I2S编解码器，不同的采用率需要不同的时钟频率，一个锁相环能够通过把语言时钟（它的频率就是采样率）简单地乘以256或者其他固定的数字来提供每一处的正确时钟。元器件供应商因此倾向于在他们的智能电话编解码器上集成一到两个锁相环。麦克风 智能电话中许多最困难的设计问题都会与麦克风相关。这里通常要考虑至少两个麦克风：内置式的麦克风和作为耳机一部分的外置麦克风。为了消除噪音和立体声录音，还可能有额外的内置式麦克风，汽车免提系统可能与另外的外置麦克风相连。除了打电话，这些麦克风可以在应用处理器的控制下用于录制语音留言、或者视频片段的语音录制。 为了完全消除芯片外开关，智能电话的编解码器需要提供足够的麦克风输入、最好随同独立的可调整的增益和灵活的内部路由以适用于所有的应用状况。除了录音功能之外，还可以提供一种“侧音”功能，它在模拟输出上附加一个削弱的麦克风信号，因此打电话的人通过耳机可以听见自己的声音。当耳机被插入使用或关闭时，在内置麦克风和外置麦克风之间可以插入的检波以实现无缝的切换。 噪音也是另一个共同关注的问题。电路的高频部分和数字部分产生的串扰被印制电路板上传输麦克风信号的线路吸收，同时被芯片上的前置放大器放大。精心设计的印刷电路板成为避免这个问题发生的重要手段，差分麦克风输入是另外一个有效措施。然而，差分麦克风输入有其自身的版图设计要求：两条印制板线路必须彼此平行并相互靠近，这样一来两条线路中的任何一条吸收噪音也出现在另一条线路中，这样（因此）麦克风的前置放大器就可以消除噪音。 消除背景噪音是一个独立的问题，它要求有两个麦克风；一个用来拾取说话者的声音和背景噪音，另一个只用作拾取背景噪音。在模拟范围内，一个简单的噪音减少方法往往很难达到满意的效果，这是因为两个噪音信号相位和振幅都不同，这都取决于噪音所产生的方向。在这里需要进行数字信号处理，然而编解码器必须完成两个麦克风信号数字化的任务。 另外一种产生于室外的噪音是风隙噪声。这种噪声频率的频率多数情况下在200Hz以下，因此可以利用高通滤波器来有效地抑制。最简单地解决方法是在麦克风输入安装一个小的耦合电容器。但是这样就会妨碍麦克风用于室内音乐录音——这样将会没有低音。对于双重应用麦克风来说，滤波器应是可选择的。顺便提及的是，大部分音频ADC已经安装了高滤过器以去除从数字信号中的直流偏离。芯片厂商们已经通过转折频率选择为移动应用推出了客户化的方案——实现了Hi-Fi的几个赫兹和在100和200Hz之间的声音和风噪滤波。自然地，模拟和数字滤波能够结合在一起创造出更高的滤波特性。听筒和耳机 处理手机耳机也要求特殊的模拟线路。第一明确的任务就是在插入耳机时修订输出线路，把信号从扬声器或者听筒转向耳机。尽管带有机械开关的集成插座已经具有这样的功能，但是它们体积太大并且价格昂贵，而且用于扬声器的信号不一定适用于耳机。听筒、扬声器和耳机独立模拟输出可以实现独立的音量控制，这样解决了这一个问题而且使插座更简单。 虽然一个机械开关还是必须的，但是一个连接到接地管脚的单刀单掷型就足够了，这样插座仅需一个额外的插脚。然而在一部多媒体电话中激活这个开关没有必要说明耳机已经插入了。在一个标准尺寸的插座,它也可以是一个不带麦克风的耳机。因此，有没有麦克风是可以被检测出来的。对于驻极体麦克风来说，可以通过感应麦克风的偏置电流来获得，如果没有电流流动，麦克风就没有插入。与此相对，罕见的大偏置电流也是重要的：为了避免增加与标准听筒/耳机插孔的额外接触，则通过按键来从耳机上接电话（这就是所谓的钩形开关），通常使麦克风短路。因此得出结论，当偏置电流增加，表明钩形开关已被按下。通过增加一个电流传感器来检测片上麦克风偏向电路，智能电话编解码器可以检测这两种情况并且自动选择正确方式。扬声器 最近手机上扬声器的数量和输出功率迅速膨胀。尽管在20世纪90年代一个简单的听筒是非常普通的，现代的翻盖式设计电话需要在打开或者合上时内置和外置的扬声器分别发声的功能。支持立体铃声要求具备两个外置扬声器，同时免提功能需要在听筒旁边有一个“大的”（以手机为标准）扬声器。麦克风为每一个扬声器提供了专门的模拟输出，优点多于芯片外开关。 因为扬声器的放大器能够吸收大量的供应电流，所以当它们在不用的时候关闭扬声器是非常必要的。智能手机的编解码器不断地提供粒状功率管理，为了避免任何不必要的电池的消耗，允许启动和关闭任意单独的输出。此外，在已有的功率管理中的电压调节器常常不能提供足够的电流使扬声器获得最大音量。编解码器厂商已经通过设计由电池（尤其是大约4.2伏锂离子电池）直接驱动芯片内扬声器放大器来解决这一问题，这种方法胜于调节电压。虽然这种方法不一定能够达到省电的结果——扬声器放大器只是耗费了在电压调节器中消耗的额外功率——这样就不用依赖于额外的电压调节了。铃声 在过去的几年时间里，铃声的多样化要求使铃声变得越来越复杂，从简单的一连串的嘟嘟声到和弦旋律，最后发展成WAV和MP3 片断，理论上讲任何一种声音都可以做成立体声。MIDI已经变成了合弦铃声的标准，一些厂商专为这种新的应用开发出了低功率MIDI芯片。将这样的芯片集成于音频子系统，这就需要在编解码器上增加一个额外的模拟输入。这个附加的输入也可用于连接一个FM收音机的集成电路，为多媒体方案附加另一个功能，所以MIDI声音的制作完全可以集成于编解码器中。但是，将独特的铃声作为一个声音文件储存并通过已有的Hi-Fi DAC来回放的根本趋势，对于那些知识产权（IP）组合中不包括MIDI的芯片厂商的吸引力还是有限的。 未来发展 智能手机的音频在未来会如何发展呢？在当今数字音频领域存在的显著的趋势包括从立体声到多通道环绕声格式的转移，和最近在PC和笔记本领域刚刚推出的”Azalia”(Intel的高清晰音频)标准。在不久以前，有一些人曾经认为在手机上安装立体声扬声器的想法是可笑的，今天的市场情况足以证明这种观点是错误的，在可预知的将来，手提设备似乎不一定向多通道发展。 同样地，通常不能证明”Azalia”的新特点比AC’97成本高和功率消耗大。目前I2S与AC’97的争论正在进行，一些设计者更倾向于相对简单的I2S接口，还有一些则更喜欢AC’97提供的数量较少的引线数和容易处理的不同的采样率。目前一些用于智能手机的低功率CPU可以提供两种标准的音频接口以适用于两个阵营，这两种标准可以继续共存。相对而言，设计一个编解码器以支持两种标准是非常困难的，因为AC’97的VRA(可变码率音频)要求不同于I2S的时钟电路和大量的额外数字电路。 把应用和通信处理器的成功集成于一个简单的数字器件中，通过运用一个单一的音频时钟使得声音和Hi-Fi音频界面的融合成为可能，最终可能形成简单化的编解码器。但是就目前来说，芯片厂商正专注于将其他的已有的混合信号器件和音频编解码器集成在一起，包括触摸屏功能，电压调节和功率管理。到目前为止已应用的集成方案主要是音频与照相机或视频功能的结合，但这决不是一成不变的。与此同时，音频功能例如3D增强、图形均衡器、动态压缩等看起来开始激增，同时在音质、功率消耗和封装尺寸等方面进行不断的改进。