智能電話CODEC的音頻整合技術(shù)前景

電話CODEC通常帶有一個脈沖編碼調(diào)制(Pulse Code Modulation，PCM)接口。嚴(yán)格來說，PCM概念包含了今天我們正在使用的大多數(shù)數(shù)字格式，其中包括I2S;PCM的初衷是將數(shù)字編碼和諸如調(diào)頻之類的模擬技術(shù)加以區(qū)別。然而，在數(shù)字電話中，PCM通常指一種特定的，與Hi-Fi立體聲不兼容的單音數(shù)據(jù)格式。

　　計(jì)算機(jī)音頻的出現(xiàn)也孕育了另一類接口的的出現(xiàn)。由于質(zhì)量要求與現(xiàn)有消費(fèi)音頻市場類似，就出現(xiàn)了以不同的取樣率(特別是8kHz、44.1kHz和48kHz)來播放錄制好的音頻文件的需求。雖然以軟件方式進(jìn)行取樣率轉(zhuǎn)換是可能的，但是代價也非常昂貴。因此，目前已普遍使用的AC 97標(biāo)準(zhǔn)將該項(xiàng)任務(wù)交給CODEC處理，通過專門的硬件可以實(shí)現(xiàn)非常高的效率。目前，AC 97已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)音頻領(lǐng)域的主導(dǎo)性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　便攜式系統(tǒng)起初時還保持著自己的本來面目：個性CD、迷你唱碟和MP3播放器使用的是I2S DAC，移動電話保留了PCM技術(shù)，而具有音頻增強(qiáng)功能的PDA一般采用同臺式計(jì)算機(jī)相同的AC 97 CODEC。因此，這簡直令人震驚，第一代組合系統(tǒng)通常含有電話和PDA兩塊電路板，兩者背靠背排列在一個機(jī)箱內(nèi)，其PCM通話CODEC由通訊處理器進(jìn)行控制，Hi-Fi立體聲(AC 97或I2S)CODEC則由應(yīng)用處理器進(jìn)行控制。然而，CODEC根本就不是為這類應(yīng)用設(shè)計(jì)的，幾乎很少或者根本就沒有為這兩個音頻子系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通做任何考慮。因此，工程師通常會在模擬信號路徑中插入一些分立的固態(tài)(solidstate)開關(guān)，但是這也引入了噗噗聲、咔咔聲和諧波失真，并且占用PCB空間。

　　整合

　　顯然，為上述應(yīng)用量身定做一個整合方案是很受歡迎的。受系統(tǒng)級芯片(SoC)設(shè)計(jì)理念的啟發(fā)，某些廠商已經(jīng)將立體聲DAC或CODEC集成到大規(guī)模集成電路中。然而，這類方式并不能實(shí)現(xiàn)專用音頻芯片所達(dá)到的音頻質(zhì)量。將電源管理IC和音頻IC組合在一起通常會折損音頻質(zhì)量，因?yàn)殡娫凑{(diào)節(jié)器通常會向附近的音頻信號路徑中引入噪音。

　　將音頻整合到數(shù)字IC中同樣非常棘手，因?yàn)檎嬲腍i-Fi元器件一般要求采用最適合混合信號應(yīng)用的0.35μm工藝，而數(shù)字邏輯電路已經(jīng)發(fā)展到了0.18μm甚至于以下水平。對於這兩種單芯片整合方法來說，不是折損模擬范疇的性能，就是整個芯片的尺寸增大到難以接受的程度(如果整個IC按照較大的幾何原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的話)。

　　喇叭放大器會產(chǎn)生大量的熱量，需要采用適當(dāng)?shù)纳嵫b置，特別難以整合。很多組合式芯片缺少這種功能，因此不能將其當(dāng)成真正的“系統(tǒng)芯片”方案對待，它們通常需要一個外部揚(yáng)聲器驅(qū)動器IC。另外一個常見的問題是由于希望IC尺寸盡可能小，導(dǎo)致模擬輸入或輸出數(shù)量不足。在方形封裝(如QFN四方扁平封裝，無引線)中，管腳環(huán)繞IC四周排列，可以通過將每邊的長度延長1mm來容納少數(shù)額外管腳，導(dǎo)致IC腳距大幅度增加。舉例來說，從5×5mm增加到6×6mm需要額外占用11mm2 PCB面積;如果從10×10mm封裝開始，額外增加的面積就是21mm2。

　　專用音頻IC避免了這些問題。通過將其它混合信號功能(如觸摸屏數(shù)字化處理)與通話CODEC和Hi-Fi CODEC集成，依然可以降低芯片管腳總數(shù)。這里，通話CODEC集成于電話芯片組中，Hi-Fi CODEC帶有另外的模擬輸入、輸出和內(nèi)部混頻功能可能比較合適。另一方面，帶有藍(lán)牙連接專用PCM接口的雙CODEC也是非常有益的。

　　實(shí)現(xiàn)音頻整合的方法有很多。共享ADC和DAC能減少硬件成本，但是卻不能同時播放或錄制兩個音頻流。為每個功能配置專門的轉(zhuǎn)換器可以克服這個問題，而且還能延長電池的使用壽命，因?yàn)殡娫捈?telephonygrade)音頻模塊的功耗可以設(shè)計(jì)得比Hi-Fi功能的功耗還要低。然而，這類解決方案卻增加了矽圓的成本。一個普遍的折衷是采用一些分立DAC，但是卻要共享這些ADC。這就允許通話(例如第二個來電的響鈴或音樂)的同時播放音頻，但是通話過程中應(yīng)用處理器不會將這些記錄下來——這是一個可接受的局限性，因?yàn)橛脩粼谶@樣的使用場合下并不愿意查看第二個來電究竟有多大的接聽價值。關(guān)閉一個通道，并使另一通道以低取樣率運(yùn)行，可以控制DAC的功耗。

　　計(jì)時和接口

　　雖然在通訊和應(yīng)用兩個領(lǐng)域之間共享內(nèi)部電路模塊是可能的，但是這種情況卻不會在接口應(yīng)用發(fā)生。這是因?yàn)槊總€音頻數(shù)據(jù)流均按自己本身的時鐘頻率，運(yùn)行于一個獨(dú)立的時鐘領(lǐng)域。只有這種情形存在，組合式智能電話CODEC就同時需要一個PCM接口和一個獨(dú)立的I2S或AC 97連接。

　　在固定系統(tǒng)中，音頻時鐘通常是由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的。舉例來說，AC 97規(guī)定符合該規(guī)范的CODEC應(yīng)該具有一個與外部24.576MHz(512×48kHz)石英晶體相連的片上振蕩器，而I2S零件則使用多重取樣率，最常見的是256。但是，在智能電話設(shè)計(jì)中，在額外功耗、PCB空間、和時鐘石英晶體成本的驅(qū)使下，設(shè)計(jì)師只好從另外一個已經(jīng)存在于PCB上的時鐘來派生Hi-Fi時鐘。雖然復(fù)雜的奇數(shù)頻率比(odd frequency ratios)需要由鎖相環(huán)(PLL)實(shí)現(xiàn)，該方案依然偏向于采用外部石英晶體，因?yàn)榈凸?、低噪音PLL能夠以較低的成本集成到混合信號IC中。該方法也適合其它子系統(tǒng)可能需要的一些時鐘信號，例如視頻增強(qiáng)型電話應(yīng)用中MPEG解碼器的標(biāo)準(zhǔn)27MHz時鐘。在I2S CODEC中，不同取樣率需要不同的時鐘頻率，只要簡單地將字時鐘LRCLK(其頻率為取樣率)乘以256或任何其它固定數(shù)字，PLL就能夠在每種情況下提供正確的時鐘。因此，元器件廠商一般傾向于在他們的智能電話CODEC中集成一個或兩個PLL。

　　話筒

　　在智能電話設(shè)計(jì)中，很多最棘手的問題都與話筒有關(guān)。通常我們考慮的話筒至少有兩種：內(nèi)建(內(nèi)部)話筒和外部話筒，后者是耳機(jī)的一部份。為了消除噪音或?qū)崿F(xiàn)立體聲錄制，可能需要一些輔助性內(nèi)部話筒，而汽車免提設(shè)備可能要與另一外部話筒連接。除通話外，這些話筒也可在應(yīng)用處理器的控制下錄制通話記錄，或者甚至于視頻剪輯的聲音軌道。

　　為了完全消除片外切換(off-chip switching)，智能電話CODEC需要提供足夠的話筒輸入，最好具有可獨(dú)立調(diào)整的增益，以及靈活的內(nèi)部路由路徑，以覆蓋所有使用場合。除錄音功能外，還應(yīng)該提供一個“側(cè)音(side tone)”功能。這就為模擬輸出添加了一個衰減版本的模擬輸出，手機(jī)呼叫者就能夠聽到他們自己的聲音。當(dāng)插入或拔出耳機(jī)時，插入檢測能夠使內(nèi)部話筒和外部話筒之間無縫切換。

　　噪音是另一通常關(guān)注的問題。線路中的高頻和數(shù)字零件產(chǎn)生干擾信號，這些信號被負(fù)載話筒信號的PCB布線捕獲后，將被片上前置放大器放大。小心進(jìn)行電路板布線在避免這個問題時起到了很大作用，采用差分話筒輸入則是另一有效方法。然而，輸入具有各自獨(dú)特的布線要求：這兩條PCB線路一定要并排分布，并且彼此相鄰，這樣一來，任何出現(xiàn)于某一線路的噪音也必將出現(xiàn)在另一線路中，從而使其完全從話筒前置放大器中消失。

　　消除噪聲屬于分離問題，需要兩個話筒：一個負(fù)責(zé)拾起帶有背景噪聲的揚(yáng)聲器話音，另一個只負(fù)責(zé)背景噪聲。在模擬領(lǐng)域，簡單的減法操作幾乎無法達(dá)到滿意的結(jié)果，因?yàn)閮蓚€噪聲信號的在相位和振幅方面有所不同，具體取決于噪聲進(jìn)來的方向。這里也需要數(shù)字信號處理，但是通過對這兩個話筒信號進(jìn)行數(shù)字化處理，CODEC必須使任務(wù)更容易完成。

　　另外一類出現(xiàn)在戶外應(yīng)用的噪音是風(fēng)噪音。該噪音主要局限于200Hz以下的頻率，可以通過高通濾波器大幅度減小。最簡單的解決方案是在話筒的輸入級使用一個較小容值的耦合電容器。然而，這也阻止了話筒在戶內(nèi)音樂錄制方面的應(yīng)用——這有可能使低音也消失。對於雙用話筒，濾波應(yīng)因此成為一種備選項(xiàng)。值得一提的是，大多數(shù)音頻ADC已經(jīng)帶有一個內(nèi)建的高通濾波器，用以去除數(shù)字信號中的直流偏壓。集成電路廠商已經(jīng)為移動電話應(yīng)用定制了這個特征：少數(shù)Hz用于Hi-Fi，100-200Hz用于具有風(fēng)力噪音濾除增強(qiáng)功能的通話。當(dāng)然，模擬濾波和數(shù)字濾波也可以組合在一起，以創(chuàng)建更高階的濾波器特性。

　　耳機(jī)和耳塞

　　應(yīng)對移動電話耳機(jī)也需要特定的模擬電路。第一個明顯的任務(wù)是當(dāng)耳機(jī)插入時，將來自聽筒或其它揚(yáng)聲器的輸出信號重新路由到耳機(jī)。雖然整合有插座的機(jī)械開關(guān)也能做到這一點(diǎn)，但是他們的體積很龐大并且成本很高。

　　而且，用于揚(yáng)聲器的信號電平可能并不適合耳機(jī)。用于聽筒、揚(yáng)聲器的獨(dú)立模擬輸出，以及帶有獨(dú)立音量控制功能的耳塞可以解決這個問題，而且還容許使用一個比較簡單的插座。雖然依然需要一個機(jī)械開關(guān)，但是一端連接于接地引腳的單孔、單擲機(jī)械開關(guān)已經(jīng)足夠，所以插座只需要一個外部引腳。然而，在多媒體電話中，開關(guān)的激活沒有必要代表耳機(jī)的插入;對一個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的插座來說，這可能正好相當(dāng)于一個沒有話筒的耳機(jī)。因此，話筒的存在與否應(yīng)該獨(dú)立檢測。