隨時隨地實現(xiàn)移動設(shè)備的高質(zhì)量音頻

推動手機和平板電腦音頻發(fā)展的重要交叉因素有兩個，即：1.日益增加的產(chǎn)品差異化需求；2.更高的客戶期望。智能手機和平板電腦原始設(shè)備制造商正在利用各個商用IC供應(yīng)商的應(yīng)用處理器和基帶調(diào)制解調(diào)器（集成和組合）的各種組合，圍繞芯片組搭建平臺。因此，原始設(shè)備制造商不會像在規(guī)定和/或設(shè)計芯片組時所做的那樣控制或區(qū)分功能組。如今，他們必須尋求其它方式創(chuàng)造差異化的移動用戶體驗，包括提供隨時隨地的音頻體驗。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要充分利用手機和平板電腦的揚聲器，而眾所周知，它們的音量很小。因此，就需要添加DSP聲音處理（又名：音頻后處理），消除噗噗聲，并利用其它音頻技巧，制造功耗低且不會產(chǎn)生不必要的繼發(fā)影響（如電磁干擾等）的高輸出（高音量）揚聲器放大器；還需確定工程師用來提供更好的聲音的一些重要參數(shù)、技術(shù)、趨勢和創(chuàng)新手段。

手機公司利用商用芯片組時，需尋找新的途徑，實現(xiàn)多樣化的產(chǎn)品外觀、手感、聲音，及能讓用戶體驗何種功能。對于聲音來說，在不久之前，手機用戶對音頻性能的要求很低，因此，無論將何種放大器置入核心芯片組都不錯。但是，隨著市場上出現(xiàn)越來越多的創(chuàng)新型電話、平板電腦和應(yīng)用程序，用戶期望也迅速提高，其中也包括音頻。用戶希望隨時隨地享用音質(zhì)良好的音頻。

通過添加DSP聲音處理（又名：音頻后處理），可消除噗噗聲，并利用其它音頻技巧，能制造高輸出（高音量）揚聲器放大器。

音頻工程是一件藝術(shù)性工作，因為聲音是一種主觀的個人體驗，音頻工程需要進行不斷的權(quán)衡和判斷。以下例子展示了音頻工程師為給移動平臺引入更好聲音所運用的幾種技術(shù)。每一種都值得深入探討，但是我們僅做簡單介紹，以回顧幾個重要的問題、趨勢和解決方案。

1.動態(tài)范圍、信噪比（SNR）和總諧波失真加噪聲（THD+N）

音頻性能的經(jīng)典衡量方式是信噪比或動態(tài)范圍。如同產(chǎn)品性能的許多其它可比衡量方式一樣，信噪比受“技術(shù)指標(biāo)差距”的制約，而“技術(shù)指標(biāo)差距”的不同解讀方式被用來最好地定位產(chǎn)品，并非完全考慮客觀純度。為了提供更好的客觀性，音頻工程師協(xié)會（AES）為音頻工程衡量創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)。總諧波失真加噪聲是一種比單獨總諧波失真更常用、更有用的衡量標(biāo)準(zhǔn)，因為能更準(zhǔn)確地再現(xiàn)使用案例（即噪聲物質(zhì)）。將其帶入公式即：總諧波失真+噪聲=諧波功率+噪聲功率總和除以總輸出功率。注意，僅當(dāng)測量時的失真水平一定時，輸出功率才有意義。

圖1 音頻產(chǎn)品的動態(tài)范圍

圖1比較了從CD到專業(yè)音頻等不同音頻設(shè)備的動態(tài)范圍。手機和平板電腦音頻性能的推動力是趕超MP3播放器的動態(tài)范圍（約100 dB），而如今的手機和平板電腦市場也正在實現(xiàn)這一目標(biāo)。

2.麥克風(fēng)和音頻后處理

移動平臺支持幾個麥克風(fēng)變得非常必要，因為DSP回音消除以及其它先進音頻和語音處理都需要多個麥克風(fēng)。差分麥克風(fēng)輸入被用于降低噪聲、射頻和串?dāng)_的發(fā)生。在移動音頻系統(tǒng)中，麥克風(fēng)、音頻編解碼器和DSP處理器共同來實現(xiàn)先進功能。智能機音頻的提升正在往DSP這個戰(zhàn)場集中，DSP回聲消除、3D空間和其它音頻功能利用多個麥克風(fēng)為處理提供輸入。一個簡單的例子是需要至少兩個麥克風(fēng)，是為了將語音信號與背景噪聲分開。一個麥克風(fēng)聽語音和背景噪聲，另一個僅聽背景噪聲。DSP/編解碼系統(tǒng)然后收到那些信號，減除噪聲，以提供更清晰的語音信號。

使用數(shù)字麥克風(fēng)（駐極體電容麥克風(fēng)和微機電系統(tǒng)麥克風(fēng)）代替模擬麥克風(fēng)逐漸流行，受到移動原始設(shè)備制造商的推動，因為其數(shù)字痕跡對手機處理器和廣播集成電路（如基帶調(diào)制解調(diào)器）的噪聲侵擾具有更好的免疫力。

3.減少噗噗聲

噗噗噪聲是音頻中的經(jīng)典問題，常常發(fā)生于音頻輸入開機、關(guān)機、靜音或連接至不同負荷時，可能產(chǎn)生瞬變，可通過揚聲器或耳機聽到。減少噗噗聲在移動應(yīng)用程序中日漸重要，因為移動操作很自然會導(dǎo)致物體關(guān)機，以節(jié)省電力。當(dāng)然，這意味著，應(yīng)再將其打開，以創(chuàng)建開/關(guān)和關(guān)/開過渡，導(dǎo)致聲音瞬變。在過去，減少噗噗聲是通過外部電容解決的。但是，隨著集成水平的提高，為了減少開支，提高性能，需要消減電容，提供創(chuàng)新芯片方法來減少噗噗聲。

插入手機時，內(nèi)外部麥克風(fēng)之間的轉(zhuǎn)換是噗噗聲的另一個來源。這可通過提供插入檢測電路進行管理。緩慢打開和關(guān)閉是抑制噗噗聲的另一種方法。緩慢打開和關(guān)閉對于不具有隔直電容的音頻驅(qū)動器來說非常有用，因為它可產(chǎn)生直流偏移電壓。緩慢打開，正如其字面意思，斜變切換電阻，使得負載電壓擺率慢慢提高，從而使噗噗聲不會出現(xiàn)。一種方法是使用緩慢開啟的集成音頻開關(guān)。圖2的飛兆緩慢開啟音頻開關(guān)展示了這一理念。此產(chǎn)品具有可調(diào)節(jié)（緩慢）打開和關(guān)閉，其范圍為1毫秒~200毫秒。此圖顯示了100毫秒的設(shè)置。

特別是對移動設(shè)備來說，噗噗聲設(shè)計訣竅變得非常關(guān)鍵，這是音頻工程看起來像藝術(shù)的另一個原因，因為噗噗聲的感知很主觀，使得經(jīng)驗和一些小的技巧成為成功的重要部分。

4.動態(tài)范圍控制（DRC）和揚聲器保護

將家用立體聲放大器聲音（未）調(diào)高的人，會密切注意到揚聲器過度驅(qū)動時的情況。你的耳朵將不得不忍受刺耳的失真聲。另一方面，如果放大器不接近于揚聲器的最大限度，揚聲器便不會產(chǎn)生巨大聲響。需要接近一條微線。一種方法是通過動態(tài)范圍控制來控制放大器的增益，嘗試優(yōu)化音質(zhì)，以在記錄信號水平最大化時防止失真。這就像以前進行模擬錄音時，你可以邊觀察錄音機VU表（圖3），邊手動調(diào)整輸入音量，以使指針在響亮通路時始終位于紅色區(qū)域之外，并在安靜期間提高音量，掩蓋模擬錄音機的偏差聲音。

圖2 緩慢打開/關(guān)閉時間

這字面意思即為手動動態(tài)范圍壓縮。如今，這可以通過集成電路自動完成，監(jiān)控信號水平并提供反饋，以增加或減少增益。其結(jié)果是抑制聲音范圍（即高低水平和低高水平），使聆聽者聽到的聲音更好。但是，小揚聲器音量水平提高的同時，損壞風(fēng)險也隨之上升。因此，揚聲器保護方法正變得日益重要。

揚聲器可能會出現(xiàn)的一個最危險的現(xiàn)象是消波現(xiàn)象。放大器驅(qū)動超過揚聲器限制時，消波就會發(fā)生，這會使信號看起來越來越像一個方波，而不是一般的音頻信號。使用術(shù)語“消波”是因為其上部看起來削平了（圖4）。

消波對揚聲器來說很危險的原因是，信號開始削平時，更多的高次諧波就會產(chǎn)生，從而呈現(xiàn)超出揚聲器能夠承受的能量，造成永久破壞。移動音頻放大器現(xiàn)在增添了防消波機制，以限制其輸出，更好地匹配揚聲器。最基本的防消波方法是設(shè)置增益，使其不高于利用自動增益控制（AGC）技術(shù)預(yù)設(shè)的水平。目前正在開發(fā)其它更加成熟的揚聲器保護方法，主動監(jiān)控揚聲器狀態(tài)，并將信息反饋給放大器，以保證操作安全。一些主動的揚聲器保護方案可以利用放大器本身的小信號處理器進行信號分析。所有類型的揚聲器保護，無論是主動的還是被動的，都可以使移動平臺制造商更加簡便地提供聲音更大、更持久的音頻，因此，揚聲器保護將繼續(xù)成為音頻王國的關(guān)鍵事項。

5.噪聲門限

某些移動音頻放大器目前提供噪聲門限功能。當(dāng)信號低于指定水平時，噪聲門限會使輸出靜音，就像老式的靜噪抑制電路一樣，減少系統(tǒng)中的廣播、DAC和其它噪聲（圖5）。相對于音樂來說，噪聲門限功能對語音更有用。根據(jù)設(shè)計，有時會運用介入和衰減參數(shù)控制并設(shè)置噪聲門限。

圖4 消波信號 圖5 噪聲門限

6.均衡化

均衡器僅是一套運用于整個音頻范圍內(nèi)頻率范圍窄片的音量控制器。五段均衡器特別適用于移動平臺。均衡器可使系統(tǒng)設(shè)計者定制輸出信號，以在特定環(huán)境中優(yōu)化揚聲器的性能。在高保真立體聲早期，一般音頻消費者開始知道均衡器。有人指出，一旦均衡器進行設(shè)置，負責(zé)房間內(nèi)的特殊音響就都是“一次性”的。這是一個相似的案例；但是相對于房間，移動設(shè)計者更關(guān)心手機和平板電腦。其理念是使揚聲器和最佳聲學(xué)性能盒子相匹配。如果將揚聲器塞入盒子中的非最佳位置（因為工業(yè)設(shè)計考慮因素，常常發(fā)生），均衡化就非常重要。芯片組內(nèi)部編解碼器或外部音頻編解碼器上的均衡器可為特殊的外殼（盒子）設(shè)置參數(shù)，從而改善產(chǎn)品的整體音質(zhì)。均衡化可被視為一種重要的DSP功能，可使手機音質(zhì)更佳。

7.D類放大器和降低電磁干擾

音頻討論最終似乎還得圍繞類別之爭理念—其含義是不同類別音頻放大器的比較。讓我們看看吧。D類對移動設(shè)備來講是一種卓越的技術(shù)，因其效率相較于AB類好很多，但是D類的缺點是電磁干擾，而且其音質(zhì)沒有AB類的好。市場無形之手已經(jīng)權(quán)衡了利弊，似乎D類對揚聲器放大器來說更可接受，至少在目前是如此的。對于耳機來說，AB類、G類和H類仍然是普遍的選擇，盡管D類有時也會用到。

D類的趨勢是消除其內(nèi)置脈寬寬度調(diào)制式轉(zhuǎn)換架構(gòu)產(chǎn)生的不必要的電磁干擾，這需要用不同的方法抑制電磁干擾。一種運用于脈寬寬度調(diào)制式系統(tǒng)（如D類）的抑制方法是擴頻調(diào)制，其中輸出橋轉(zhuǎn)換頻率圍繞中心轉(zhuǎn)換頻率變化。隨著頻率隨機變化，電磁能量更加廣泛地散發(fā)，峰值輻射能量減少。

另一種減少電磁干擾的方法是邊緣速率控制（ERC）。在D類產(chǎn)品中，高頻率能量位于脈寬寬度調(diào)制式方波輸出的邊緣，因此更快的輸出上升下降次數(shù)將產(chǎn)生更高的頻率能量。減少邊緣的鋒利度，高頻率能量就會減少?；仡櫼幌?，方波越完美（即越方），就會產(chǎn)生越多的諧波，因此，減少方波的完美度可降低產(chǎn)生輻射的高頻率諧波成分。但是，這又會消耗更多的功率。同時，目前，我們應(yīng)清楚改變方波的形狀實際上是在破壞它，從而增加總諧波失真加噪聲，盡管這時是故意為之。因此，在決定什么可接受時，需要進行權(quán)衡。我們可再一次見識到進行合適的權(quán)衡真的是良好音頻工程藝術(shù)的一部分。

8.增強型揚聲器放大器

移動音頻的一個重要趨勢是向聲音更大的音頻轉(zhuǎn)換，這可通過高輸出揚聲器放大器來實現(xiàn)。高輸出通過將直流-直流升壓轉(zhuǎn)換器適宜地添加至揚聲器放大器IC上。D類內(nèi)置升壓放大器的一個很好的例子是飛兆FAB3103（圖6）。

圖6 D類升壓揚聲器放大器架構(gòu)

添加直流/直流升壓轉(zhuǎn)換器對音頻IC分區(qū)具有非常重要的影響，因為升壓電路電壓水平的原因，不適合集成到模擬移動基帶或者音頻編碼I C內(nèi)部。因此，更大聲的需求已經(jīng)開啟了將音頻放大器獨立于編解碼系統(tǒng)和模擬基帶設(shè)備之外的趨勢。

揚聲器放大器目前的輸出功率在1.7W~2.5W之間，還在增長，因為移動平臺制造商稱他們希望輸出的聲音盡量大。更高的輸出驅(qū)動，當(dāng)然意味著更多的功率消耗，這并不是移動平臺制造商所希望的。所以，音頻工程師正在尋找新的途徑，重新運用老辦法來降低功率。目前適用于D類的一種創(chuàng)新方法是借用G類的理念，即使用電源多路復(fù)用器。飛兆FAB3103是使用此技術(shù)的一種D類音頻放大器。

9.新方向

移動音頻進步的新領(lǐng)域是平板膜揚聲器，甚至是將手機或平板電腦的外表作為揚聲器。還有一種觀點，是將云中流出的高清音樂分流。行業(yè)研究者稱，移動音樂分流將使注冊者數(shù)量從2011年的600萬增加至2016年的1.6億，綜合年增長率高達95%.隨著音頻分流的迅速增長，手機和平板電腦硬件產(chǎn)品將需要配備音頻IC，實現(xiàn)隨時隨地的移動音頻體驗。