智能手機(jī)音頻系統(tǒng)的整合與設(shè)計(jì)趨勢(shì)

當(dāng)手機(jī)遇上可攜式電子，兩個(gè)不同的音訊世界產(chǎn)生了沖突。這么多年過去，模擬工程師仍舊竭力打造可以完美處理語音、音樂播放和鈴聲的解決方案。本文將檢視當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)展，并探討智能型手機(jī)的音訊整合趨勢(shì)。

曾經(jīng)有一段時(shí)間，數(shù)字音訊很清楚地被分為Hi-Fi和通話兩個(gè)部分。Hi-Fi一般意謂立體和16位分辨率，取樣速率為44.1kHz，這是原始的Compact Disc規(guī)格。另一方面，電話通話則是單聲道及低分辨率，一般是以8位和8kHZ數(shù)字化而成。不同型態(tài)的混合訊號(hào)IC各自適合不同的應(yīng)用。Hi-Fi音訊編譯碼IC很快就采用多位sigma-delta技術(shù)去改善音質(zhì)，同時(shí)間電話仍然是非常簡(jiǎn)單，低數(shù)據(jù)速率及低成本變換器限制了改善音質(zhì)的可能性。這兩種編譯碼芯片擁有不同的接口。市場(chǎng)上已出現(xiàn)一些針對(duì)Hi-Fi立體音響的數(shù)據(jù)格式，其中最為普及的是I2S (Inter-IC Sound)。電話語音編譯碼IC則通常是采用脈沖編碼調(diào)變(PCM)界面。嚴(yán)格來說，脈沖編碼調(diào)變已包含今日所使用的大部分?jǐn)?shù)字格式，包括I2S;它的原始目的便是要區(qū)別數(shù)字編碼和像是頻率調(diào)變的模擬技術(shù)。然而，在數(shù)字通話方面，脈沖編碼調(diào)變通常是指一種特定、單聲道的數(shù)據(jù)格式，無法兼容于Hi-Fi立體音訊。

計(jì)算機(jī)音訊的崛起則造就了另一種接口的興起。雖然其音質(zhì)要求和存在已久的消費(fèi)性音訊市場(chǎng)頗為類似，然而，計(jì)算機(jī)需播放以不同取樣速率播放的音訊檔案(特別是8kHz、44.1kHz和48kHz)。以軟件轉(zhuǎn)換取樣速率是可行的，但是成本卻太昂貴。因此最被廣泛采用的AC’97標(biāo)準(zhǔn)便將此任務(wù)交給編譯碼芯片，造就以專屬硬件執(zhí)行的效率會(huì)高出許多。AC’97實(shí)際上已成為計(jì)算機(jī)音訊的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

在一開始，可攜式系統(tǒng)仍一本初衷：隨身CD、迷你光盤及MP3播放器仍采用I2S數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，行動(dòng)電話使用脈沖編碼調(diào)變，而支持音訊功能的PDA則通常具有和桌上型計(jì)算機(jī)相同的AC’97編譯碼。因此，毫無意外地，第一代的復(fù)合系統(tǒng)通常會(huì)包含在裝置內(nèi)部比鄰分布的電話和PDA電路、具有由通訊處理器控制的脈沖編碼調(diào)變音訊編譯碼芯片，以及和應(yīng)用處理器連接的Hi-Fi立體(AC’97或I2S)編譯碼芯片。然而，此編譯碼芯片的設(shè)計(jì)并未將這兩個(gè)音訊子系統(tǒng)的互連性考慮在內(nèi)，或者僅有極少的考慮。針對(duì)此，通常會(huì)將離散式的固態(tài)開關(guān)安插至模擬訊號(hào)路徑中，便會(huì)造成噪聲及諧波失真，并且占據(jù)板子空間。

圖1：第一代智能型手機(jī)具有兩個(gè)獨(dú)立的音訊子系統(tǒng)(語音和Hi-Fi)。除了這兩個(gè)編譯碼芯片外，還需要其它的離散組件以進(jìn)行訊號(hào)交換與混合。

整合趨勢(shì)

很明顯的，一個(gè)適合此應(yīng)用的解決方案是備受期待?！赶到y(tǒng)單芯片」(SoC)的想法已引導(dǎo)一些業(yè)者將立體數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器或編譯碼芯片和其它大型IC整合在一起。然而，此方法并未產(chǎn)出媲美專屬音訊芯片的音質(zhì)。電源管理和音訊IC的結(jié)合似乎犧牲了音質(zhì)，因?yàn)檎髌魍ǔ?huì)將噪聲注入鄰近的音訊訊號(hào)電路中。將音訊整合至數(shù)字IC同樣也會(huì)面臨相同問題，因?yàn)檎嬲腍i-Fi組件通常需要以0.35微米制程針對(duì)混合訊號(hào)應(yīng)用進(jìn)行最佳化，然而數(shù)字邏輯已微縮至0.18微米或更小。對(duì)共存于同一芯片的這兩種電路而言，若非模擬電路的效能必需有所犧牲，要不然就是整個(gè)IC會(huì)被建造于更大的幾何形狀上，芯片尺寸將擴(kuò)大到無法被接受的程度。

揚(yáng)聲器放大器特別難以整合，因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生大量的熱，需要散熱處理。許多整合的芯片缺乏此功能，因此便不能被認(rèn)為是真正的「系統(tǒng)單芯片」(SoC)解決方案，因?yàn)檫€需要一個(gè)外部的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)IC。另一個(gè)常見的問題是模擬輸入或輸出不夠充足，這是因?yàn)榭偸窍Ｍ鸌C能越小越好。針對(duì)接腳配置在周圍的正方體封裝，例如QFN(方形扁平封裝，無導(dǎo)線)封裝體，會(huì)將每一邊的長(zhǎng)度延長(zhǎng)約1mm以容納一些額外的接腳，而如果此IC最初的體積就很大的話，這樣的增加則將導(dǎo)致占板空間暴增。例如，從5×5mm增加至6×6mm，則占板面積會(huì)增加11mm2，而若最初為10×10mm的封裝，則占板面積會(huì)增加至21mm2。

圖2：整合型智能型手機(jī)編譯碼芯片的方塊圖，其擁有一顆音訊DAC、一顆立體Hi-Fi DAC和兩顆ADC，被導(dǎo)引至脈沖編碼調(diào)變或是I2S接口。

專屬的音訊IC則能避免這些問題。藉由整合其它混合訊號(hào)功能，例如觸控?cái)?shù)字化以及語音和Hi-Fi編譯碼功能的整合，芯片總數(shù)量可以減少。在此，音訊編譯碼被整合至電話芯片組中，因此比較適合的應(yīng)該是具有額外模擬輸入、輸出和內(nèi)部混合的H-Fi編譯碼芯片。然而，即使是在此情況中，仍需用到兩個(gè)編譯碼芯片，以容納無線藍(lán)牙耳機(jī)，因?yàn)樵S多藍(lán)牙編譯碼IC皆具有脈沖編碼調(diào)變接口。

音訊整合的方式有很多種。分享模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器可降低硬件成本，但是卻會(huì)導(dǎo)致無法同時(shí)播放或錄制兩個(gè)音訊串流。針對(duì)每一功能提供專屬的轉(zhuǎn)換器能克服此問題并延長(zhǎng)電池壽命，因?yàn)殡娫挼燃?jí)的音訊區(qū)塊能以低于Hi-Fi功能的功耗設(shè)計(jì)。然而，這樣的解決方案會(huì)增加硅芯片的成本。一般妥協(xié)的方法是采用獨(dú)立的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，但共同分享則模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。如此即使在通話中依然可以播放音訊(例如：在通化中同時(shí)聽到第二通來電的鈴聲或是音樂)，但是在通話時(shí)無法錄音至應(yīng)用處理器，這樣的限制是可被接受的，因?yàn)樵谶@樣的使用情境中，使用者不可能看到這么多的價(jià)值。藉由停止通道之一的用電，且其它通道以較低的取樣速率運(yùn)作，可進(jìn)一步降低模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的功耗。

圖3：僅需使用三個(gè)輸入接腳和一個(gè)麥克風(fēng)偏壓接腳便能讓兩個(gè)麥克風(fēng)都連至編譯碼芯片

通訊和應(yīng)用電路之間的內(nèi)部電路區(qū)塊是可以分享的，但是接口就沒辦法了。這是因?yàn)槊恳粋€(gè)音訊串流都是在獨(dú)立頻率電路上運(yùn)作，且擁有自己的頻率頻率。只要是這種情況，整合的智能型手機(jī)編譯碼芯片就同時(shí)需要脈沖編碼調(diào)變接口和一個(gè)獨(dú)立的I2S或AC’97連結(jié)。