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智能手机音频系统的整合与设计趋势

作者:时间:2012-06-04来源:网络收藏

遇上可携式电子,两个不同的音讯世界产生了冲突。这么多年过去,模拟工程师仍旧竭力打造可以完美处理语音、音乐播放和铃声的解决方案。本文将检视当前的技术进展,并探讨的音讯

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/165519.htm

曾经有一段时间,数字音讯很清楚地被分为Hi-Fi和通话两个部分。Hi-Fi一般意谓立体和16位分辨率,取样速率为44.1kHz,这是原始的Compact Disc规格。另一方面,电话通话则是单声道及低分辨率,一般是以8位和8kHZ数字化而成。不同型态的混合讯号IC各自适合不同的应用。Hi-Fi音讯编译码IC很快就采用多位sigma-delta技术去改善音质,同时间电话仍然是非常简单,低数据速率及低成本变换器限制了改善音质的可能性。这两种编译码芯片拥有不同的接口。市场上已出现一些针对Hi-Fi立体音响的数据格式,其中最为普及的是I2S (Inter-IC Sound)。电话语音编译码IC则通常是采用脉冲编码调变(PCM)界面。严格来说,脉冲编码调变已包含今日所使用的大部分数字格式,包括I2S;它的原始目的便是要区别数字编码和像是频率调变的模拟技术。然而,在数字通话方面,脉冲编码调变通常是指一种特定、单声道的数据格式,无法兼容于Hi-Fi立体音讯。

计算机音讯的崛起则造就了另一种接口的兴起。虽然其音质要求和存在已久的消费性音讯市场颇为类似,然而,计算机需播放以不同取样速率播放的音讯档案(特别是8kHz、44.1kHz和48kHz)。以软件转换取样速率是可行的,但是成本却太昂贵。因此最被广泛采用的AC’97标准便将此任务交给编译码芯片,造就以专属硬件执行的效率会高出许多。AC’97实际上已成为计算机音讯的产业标准。

在一开始,可携式仍一本初衷:随身CD、迷你光盘及MP3播放器仍采用I2S数字模拟转换器(DAC),行动电话使用脉冲编码调变,而支持音讯功能的PDA则通常具有和桌上型计算机相同的AC’97编译码。因此,毫无意外地,第一代的复合通常会包含在装置内部比邻分布的电话和PDA电路、具有由通讯处理器控制的脉冲编码调变音讯编译码芯片,以及和应用处理器连接的Hi-Fi立体(AC’97或I2S)编译码芯片。然而,此编译码芯片的并未将这两个音讯子的互连性考虑在内,或者仅有极少的考虑。针对此,通常会将离散式的固态开关安插至模拟讯号路径中,便会造成噪声及谐波失真,并且占据板子空间。

图1:第一代具有两个独立的音讯子系统(语音和Hi-Fi)。除了这两个编译码芯片外,还需要其它的离散组件以进行讯号交换与混合。

很明显的,一个适合此应用的解决方案是备受期待。「系统单芯片」(SoC)的想法已引导一些业者将立体数字模拟转换器或编译码芯片和其它大型IC在一起。然而,此方法并未产出媲美专属音讯芯片的音质。电源管理和音讯IC的结合似乎牺牲了音质,因为整流器通常会将噪声注入邻近的音讯讯号电路中。将音讯整合至数字IC同样也会面临相同问题,因为真正的Hi-Fi组件通常需要以0.35微米制程针对混合讯号应用进行最佳化,然而数字逻辑已微缩至0.18微米或更小。对共存于同一芯片的这两种电路而言,若非模拟电路的效能必需有所牺牲,要不然就是整个IC会被建造于更大的几何形状上,芯片尺寸将扩大到无法被接受的程度。

扬声器放大器特别难以整合,因为它们会产生大量的热,需要散热处理。许多整合的芯片缺乏此功能,因此便不能被认为是真正的「系统单芯片」(SoC)解决方案,因为还需要一个外部的扬声器驱动IC。另一个常见的问题是模拟输入或输出不够充足,这是因为总是希望IC能越小越好。针对接脚配置在周围的正方体封装,例如QFN(方形扁平封装,无导线)封装体,会将每一边的长度延长约1mm以容纳一些额外的接脚,而如果此IC最初的体积就很大的话,这样的增加则将导致占板空间暴增。例如,从5×5mm增加至6×6mm,则占板面积会增加11mm2,而若最初为10×10mm的封装,则占板面积会增加至21mm2。

图2:整合型型手机编译码芯片的方块图,其拥有一颗音讯DAC、一颗立体Hi-Fi DAC和两颗ADC,被导引至脉冲编码调变或是I2S接口。

专属的音讯IC则能避免这些问题。藉由整合其它混合讯号功能,例如触控数字化以及语音和Hi-Fi编译码功能的整合,芯片总数量可以减少。在此,音讯编译码被整合至电话芯片组中,因此比较适合的应该是具有额外模拟输入、输出和内部混合的H-Fi编译码芯片。然而,即使是在此情况中,仍需用到两个编译码芯片,以容纳无线蓝牙耳机,因为许多蓝牙编译码IC皆具有脉冲编码调变接口。

音讯整合的方式有很多种。分享模拟数字转换器和数字模拟转换器可降低硬件成本,但是却会导致无法同时播放或录制两个音讯串流。针对每一功能提供专属的转换器能克服此问题并延长电池寿命,因为电话等级的音讯区块能以低于Hi-Fi功能的功耗。然而,这样的解决方案会增加硅芯片的成本。一般妥协的方法是采用独立的数字模拟转换器,但共同分享则模拟数字转换器。如此即使在通话中依然可以播放音讯(例如:在通化中同时听到第二通来电的铃声或是音乐),但是在通话时无法录音至应用处理器,这样的限制是可被接受的,因为在这样的使用情境中,使用者不可能看到这么多的价值。藉由停止通道之一的用电,且其它通道以较低的取样速率运作,可进一步降低模拟数字转换器的功耗。

图3:仅需使用三个输入接脚和一个麦克风偏压接脚便能让两个麦克风都连至编译码芯片

通讯和应用电路之间的内部电路区块是可以分享的,但是接口就没办法了。这是因为每一个音讯串流都是在独立频率电路上运作,且拥有自己的频率频率。只要是这种情况,整合的智能型手机编译码芯片就同时需要脉冲编码调变接口和一个独立的I2S或AC’97连结。

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