智能手機音頻系統的整合與設計趨勢

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

曾經(jīng)有一段時(shí)間，數字音訊很清楚地被分為Hi-Fi和通話(huà)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規格。另一方面，電話(huà)通話(huà)則是單聲道及低分辨率，一般是以8位和8kHZ數字化而成。不同型態(tài)的混合訊號IC各自適合不同的應用。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(huà)仍然是非常簡(jiǎn)單，低數據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)上已出現一些針對Hi-Fi立體音響的數據格式，其中最為普及的是I2S (Inter-IC Sound)。電話(huà)語(yǔ)音編譯碼IC則通常是采用脈沖編碼調變(PCM)界面。嚴格來(lái)說(shuō)，脈沖編碼調變已包含今日所使用的大部分數字格式，包括I2S;它的原始目的便是要區別數字編碼和像是頻率調變的模擬技術(shù)。然而，在數字通話(huà)方面，脈沖編碼調變通常是指一種特定、單聲道的數據格式，無(wú)法兼容于Hi-Fi立體音訊。

計算機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性音訊市場(chǎng)頗為類(lèi)似，然而，計算機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標準便將此任務(wù)交給編譯碼芯片，造就以專(zhuān)屬硬件執行的效率會(huì )高出許多。AC’97實(shí)際上已成為計算機音訊的產(chǎn)業(yè)標準。

在一開(kāi)始，可攜式系統仍一本初衷：隨身CD、迷你光盤(pán)及MP3播放器仍采用I2S數字模擬轉換器(DAC)，行動(dòng)電話(huà)使用脈沖編碼調變，而支持音訊功能的PDA則通常具有和桌上型計算機相同的AC’97編譯碼。因此，毫無(wú)意外地，第一代的復合系統通常會(huì )包含在裝置內部比鄰分布的電話(huà)和PDA電路、具有由通訊處理器控制的脈沖編碼調變音訊編譯碼芯片，以及和應用處理器連接的Hi-Fi立體(AC’97或I2S)編譯碼芯片。然而，此編譯碼芯片的設計并未將這兩個(gè)音訊子系統的互連性考慮在內，或者僅有極少的考慮。針對此，通常會(huì )將離散式的固態(tài)開(kāi)關(guān)安插至模擬訊號路徑中，便會(huì )造成噪聲及諧波失真，并且占據板子空間。

圖1：第一代智能型手機具有兩個(gè)獨立的音訊子系統(語(yǔ)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)行訊號交換與混合。

整合趨勢

很明顯的，一個(gè)適合此應用的解決方案是備受期待?！赶到y單芯片」(SoC)的想法已引導一些業(yè)者將立體數字模擬轉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(zhuān)屬音訊芯片的音質(zhì)。電源管理和音訊IC的結合似乎犧牲了音質(zhì)，因為整流器通常會(huì )將噪聲注入鄰近的音訊訊號電路中。將音訊整合至數字IC同樣也會(huì )面臨相同問(wèn)題，因為真正的Hi-Fi組件通常需要以0.35微米制程針對混合訊號應用進(jìn)行最佳化，然而數字邏輯已微縮至0.18微米或更小。對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，芯片尺寸將擴大到無(wú)法被接受的程度。

揚聲器放大器特別難以整合，因為它們會(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，因此便不能被認為是真正的「系統單芯片」(SoC)解決方案，因為還需要一個(gè)外部的揚聲器驅動(dòng)IC。另一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是模擬輸入或輸出不夠充足，這是因為總是希望IC能越小越好。針對接腳配置在周?chē)恼襟w封裝，例如QFN(方形扁平封裝，無(wú)導線(xiàn))封裝體，會(huì )將每一邊的長(cháng)度延長(cháng)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(huà)，這樣的增加則將導致占板空間暴增。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，被導引至脈沖編碼調變或是I2S接口。

專(zhuān)屬的音訊IC則能避免這些問(wèn)題。藉由整合其它混合訊號功能，例如觸控數字化以及語(yǔ)音和Hi-Fi編譯碼功能的整合，芯片總數量可以減少。在此，音訊編譯碼被整合至電話(huà)芯片組中，因此比較適合的應該是具有額外模擬輸入、輸出和內部混合的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(wú)線(xiàn)藍牙耳機，因為許多藍牙編譯碼IC皆具有脈沖編碼調變接口。

音訊整合的方式有很多種。分享模擬數字轉換器和數字模擬轉換器可降低硬件成本，但是卻會(huì )導致無(wú)法同時(shí)播放或錄制兩個(gè)音訊串流。針對每一功能提供專(zhuān)屬的轉換器能克服此問(wèn)題并延長(cháng)電池壽命，因為電話(huà)等級的音訊區塊能以低于Hi-Fi功能的功耗設計。然而，這樣的解決方案會(huì )增加硅芯片的成本。一般妥協(xié)的方法是采用獨立的數字模擬轉換器，但共同分享則模擬數字轉換器。如此即使在通話(huà)中依然可以播放音訊(例如：在通化中同時(shí)聽(tīng)到第二通來(lái)電的鈴聲或是音樂(lè ))，但是在通話(huà)時(shí)無(wú)法錄音至應用處理器，這樣的限制是可被接受的，因為在這樣的使用情境中，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作，可進(jìn)一步降低模擬數字轉換器的功耗。

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

通訊和應用電路之間的內部電路區塊是可以分享的，但是接口就沒(méi)辦法了。這是因為每一個(gè)音訊串流都是在獨立頻率電路上運作，且擁有自己的頻率頻率。只要是這種情況，整合的智能型手機編譯碼芯片就同時(shí)需要脈沖編碼調變接口和一個(gè)獨立的I2S或AC’97連結。