智能手機音頻系統(tǒng)的整合與設(shè)計趨勢

在固定系統(tǒng)中，音訊頻率通常是由石英振蕩器產(chǎn)生。例如，AC’97便指明符合規(guī)定的編譯碼芯片具有一個芯片上的振蕩器，其連結(jié)至一個外部的24.576MHz(512 × 48kHz)石英，I2S則使用高出數(shù)倍的取樣速率，通常其取樣速率為256。然而，在智能型手機的設(shè)計中，考慮到額外的功耗、占板空間及頻率石英體的成本，因此設(shè)計師多從已出現(xiàn)在板子上的其它頻率取得Hi-Fi音訊頻率。雖然此額外的頻率部分需由鎖相回路(PLL)實現(xiàn)，但是此解決方案仍較外加的石英振蕩器受到歡迎，因為低功率、低噪聲的鎖相回路能以極低的價格被整合至混合訊號IC中。相同的情況也適用于其它子系統(tǒng)可能需要的頻率，例如支持視訊的MPEG譯碼器的標(biāo)準(zhǔn)27MHz頻率。針對I2S，不同的取樣速率需要不同的頻率頻率，藉由簡單地將word clock LPCLK(其頻率為取樣速率)乘以256或任何其它固定數(shù)字，鎖相回路能在任何情況中提供正確的頻率。因此組件供應(yīng)者也傾向?qū)⒁换騼蓚€鎖相回路整合至他們智能型手機的編譯碼芯片中。

麥克風(fēng)

在智能型手機中，許多最困難的設(shè)計問題都和麥克風(fēng)有關(guān)。其中通常必需考慮至少兩個麥克風(fēng)：內(nèi)建(內(nèi)部)麥克風(fēng)和做為耳機一部份的外接麥克風(fēng)。其它更多內(nèi)部麥克風(fēng)的存在可能是為了要消除噪聲或是立體聲錄音，而免持式汽車套件則可能會連接外接麥克風(fēng)。除了電話通話外，這些麥克風(fēng)也能在應(yīng)用處理器的控制下被用來錄制語音備忘，或甚至是視訊片段的音軌。

為完全避免芯片外的切換，智能型手機編譯碼芯片必需提供充足的輸入，最好是能有可獨立調(diào)整的增益及彈性的路徑，以涵括所有的使用情境。除錄音之外，也應(yīng)提供「側(cè)音」功能。這便為模擬輸出增加了一個微弱版本的麥克風(fēng)訊號，因此使用耳機撥打電話的人可以聽見自己的聲音。當(dāng)耳機插入或未連結(jié)時，插入偵測可以實現(xiàn)內(nèi)部至外接麥克風(fēng)間的無縫切換。

噪聲是另一個普遍的考慮。電路的高頻和數(shù)字部分會產(chǎn)生干擾，此干擾的產(chǎn)生是來自PCB線路帶有麥克風(fēng)訊號所致，且此干擾會由芯片上前置放大器放大。為避免此問題，謹(jǐn)慎的PCB布局是關(guān)鍵重要的因素，差異化的麥克風(fēng)輸入是另一個有效的對策。然而，不同的輸入有它們自己的布局需求：兩組PCB線路必需以平行或是相鄰的方式運作，所以其中一組線路拾起的任何噪聲，也會出現(xiàn)在另一組線路中，因此必需在麥克風(fēng)放大器中加以消除。

降噪是另一個獨立的問題，需要兩個麥克風(fēng)解決;一個拾起帶有背景噪聲的喇叭語音，另一個則僅拾起有背景噪聲。若只在模擬電路進(jìn)行簡單的消除，通常無法產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果，這是因為根據(jù)噪聲發(fā)出的方向，這兩種噪聲訊號的相位和幅度都會有所不同。在此需要進(jìn)行數(shù)字訊號處理。然而，編譯碼芯片必需藉由數(shù)字化這兩種麥克風(fēng)訊號來執(zhí)行此任務(wù)。

另一種噪音發(fā)生于在戶外使用時，亦即風(fēng)切噪音，其大部分被限制在200Hz的頻率以下，因此能以高通濾波器消除部分的噪音。最簡單的解決方案便是在麥克風(fēng)輸入采用較小的耦合電容器。然而，這將讓麥克風(fēng)無法被用在室內(nèi)的音樂錄音，造成沒有低音部分。因此針對雙用途的麥克風(fēng)而言，此濾波非必要。附帶一提，大部分的音訊模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器已具備內(nèi)建高通濾波器，以消除來自數(shù)字訊號的DC偏壓。IC業(yè)者已針對行動應(yīng)用將此特性客制化，其方法為讓角頻(corner frequency)成為一種選擇，一些Hz為提供Hi-Fi之用途，另一些介于100Hz和200Hz的頻率則是針對支持風(fēng)切濾波的語音。理所當(dāng)然地，模擬和數(shù)字濾波也能結(jié)合以創(chuàng)造更高階的濾波特性。

頭戴式耳機(Headphone)和雙耳式耳機(Headset)

處理行動電話的雙耳式耳機也需要特別的模擬電路。最顯而易見的首要任務(wù)便是在雙耳式耳機插入時，要重新規(guī)劃來自單耳耳機或其它揚聲器輸出訊號的路徑。雖然具有整合型機械開關(guān)的插口能實現(xiàn)此目的，但是它們通常笨重又昂貴。再者，使用于揚聲器的訊號層級可能并不適用于雙耳式耳機。針對單耳耳機、揚聲器和雙耳式耳機提供獨立模擬輸出，具有獨立的音量控制便能解決此問題，并可允許采用較簡單的插口。雖然仍需要一個機械式開關(guān)，但是只要單柱、單擲型態(tài)，一端連至接地接腳的開關(guān)就已足夠了，所以此插口僅需一個外部接腳。然而，在多媒體電話中，此開關(guān)的啟動并不一定就是因為雙耳式耳機的插入;插在標(biāo)準(zhǔn)尺寸插口中的，可能只是沒有包含麥克風(fēng)在內(nèi)的頭戴式耳機。因此，麥克風(fēng)的存在與否應(yīng)分開偵測。對電子式麥克風(fēng)而言，可以藉由感測麥克風(fēng)的偏壓電流而實現(xiàn)此目的，若沒有電流流動，則代表沒有麥克風(fēng)插入。相反地，一個大而不尋常的偏壓電流也是很明顯的：為避免增加其它的接觸至標(biāo)準(zhǔn)頭戴式耳機或雙耳式耳機插座，在雙耳式耳機上用來接收來電的按鈕(所謂的鉤鍵開關(guān))通常會讓麥克風(fēng)短路。結(jié)果，偏壓電流增加，指出此鉤鍵開關(guān)已被按壓。藉由在芯片上麥克風(fēng)偏壓電路中增加一個電流傳感器，智能型手機編譯碼芯片能偵測這兩種情況，并自動針對個別情況采取正確的動作。

揚聲器

行動電話中的揚聲器數(shù)目和輸出功率在最近不斷膨脹。然而在1990年代，單邊耳機才是王道，現(xiàn)代的掀蓋式手機配備了內(nèi)部和外部喇叭，如此無論手機是打開或是合起，都能播放音樂。支持立體鈴聲需要兩個外部揚聲器，而普遍的免持功能則在小型單耳耳機之外還需要另一個就行動電話標(biāo)準(zhǔn)而言「大型」揚聲器。如同麥克風(fēng)一般，為每一揚聲器提供專屬的模擬輸出能帶來許多芯片外切換(off-chip switching)所沒有的好處，由于揚聲器放大器會用掉龐大的供應(yīng)電流，因此在未啟動時降低功耗便成為十分重要的事。行動電話編譯碼芯片提供越來越多的細(xì)部電源管理，能個別啟動或關(guān)掉每一個輸出，以避免任何沒有必要的電池電力浪費。再者，現(xiàn)有電源管理解決方案中的穩(wěn)壓器通常無法提供驅(qū)動揚聲器音量全開所需的電流。編譯碼芯片供應(yīng)業(yè)者已針對此問題提出因應(yīng)之道，他們設(shè)計讓芯片上揚聲器放大器直接利用電池的電壓運作(一般是鋰離子電池的4.2V)，而非調(diào)整過后的供應(yīng)電壓。一般而言，雖然這種作法并無法節(jié)省電力，此揚聲器放大器會消耗原本是由穩(wěn)壓器消耗的電力，但是卻能除去增加一個穩(wěn)壓器的需求。

鈴聲