智能電話(huà)CODEC的音頻整合技術(shù)前景

電話(huà)CODEC通常帶有一個(gè)脈沖編碼調制(Pulse Code Modulation，PCM)接口。嚴格來(lái)說(shuō)，PCM概念包含了今天我們正在使用的大多數數字格式，其中包括I2S;PCM的初衷是將數字編碼和諸如調頻之類(lèi)的模擬技術(shù)加以區別。然而，在數字電話(huà)中，PCM通常指一種特定的，與Hi-Fi立體聲不兼容的單音數據格式。

　　計算機音頻的出現也孕育了另一類(lèi)接口的的出現。由于質(zhì)量要求與現有消費音頻市場(chǎng)類(lèi)似，就出現了以不同的取樣率(特別是8kHz、44.1kHz和48kHz)來(lái)播放錄制好的音頻文件的需求。雖然以軟件方式進(jìn)行取樣率轉換是可能的，但是代價(jià)也非常昂貴。因此，目前已普遍使用的AC 97標準將該項任務(wù)交給CODEC處理，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的硬件可以實(shí)現非常高的效率。目前，AC 97已經(jīng)成為計算機音頻領(lǐng)域的主導性工業(yè)標準。

　　便攜式系統起初時(shí)還保持著(zhù)自己的本來(lái)面目：個(gè)性CD、迷你唱碟和MP3播放器使用的是I2S DAC，移動(dòng)電話(huà)保留了PCM技術(shù)，而具有音頻增強功能的PDA一般采用同臺式計算機相同的AC 97 CODEC。因此，這簡(jiǎn)直令人震驚，第一代組合系統通常含有電話(huà)和PDA兩塊電路板，兩者背靠背排列在一個(gè)機箱內，其PCM通話(huà)CODEC由通訊處理器進(jìn)行控制，Hi-Fi立體聲(AC 97或I2S)CODEC則由應用處理器進(jìn)行控制。然而，CODEC根本就不是為這類(lèi)應用設計的，幾乎很少或者根本就沒(méi)有為這兩個(gè)音頻子系統之間的互聯(lián)互通做任何考慮。因此，工程師通常會(huì )在模擬信號路徑中插入一些分立的固態(tài)(solidstate)開(kāi)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，為上述應用量身定做一個(gè)整合方案是很受歡迎的。受系統級芯片(SoC)設計理念的啟發(fā)，某些廠(chǎng)商已經(jīng)將立體聲DAC或CODEC集成到大規模集成電路中。然而，這類(lèi)方式并不能實(shí)現專(zhuān)用音頻芯片所達到的音頻質(zhì)量。將電源管理IC和音頻IC組合在一起通常會(huì )折損音頻質(zhì)量，因為電源調節器通常會(huì )向附近的音頻信號路徑中引入噪音。

　　將音頻整合到數字IC中同樣非常棘手，因為真正的Hi-Fi元器件一般要求采用最適合混合信號應用的0.35μm工藝，而數字邏輯電路已經(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(lái)說(shuō)，不是折損模擬范疇的性能，就是整個(gè)芯片的尺寸增大到難以接受的程度(如果整個(gè)IC按照較大的幾何原理進(jìn)行設計的話(huà))。

　　喇叭放大器會(huì )產(chǎn)生大量的熱量，需要采用適當的散熱裝置，特別難以整合。很多組合式芯片缺少這種功能，因此不能將其當成真正的“系統芯片”方案對待，它們通常需要一個(gè)外部揚聲器驅動(dòng)器IC。另外一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是由于希望IC尺寸盡可能小，導致模擬輸入或輸出數量不足。在方形封裝(如QFN四方扁平封裝，無(wú)引線(xiàn))中，管腳環(huán)繞IC四周排列，可以通過(guò)將每邊的長(cháng)度延長(cháng)1mm來(lái)容納少數額外管腳，導致IC腳距大幅度增加。舉例來(lái)說(shuō)，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(kāi)始，額外增加的面積就是21mm2。

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

　　實(shí)現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(shí)播放或錄制兩個(gè)音頻流。為每個(gè)功能配置專(zhuān)門(mén)的轉換器可以克服這個(gè)問(wèn)題，而且還能延長(cháng)電池的使用壽命，因為電話(huà)級(telephonygrade)音頻模塊的功耗可以設計得比Hi-Fi功能的功耗還要低。然而，這類(lèi)解決方案卻增加了矽圓的成本。一個(gè)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(huà)(例如第二個(gè)來(lái)電的響鈴或音樂(lè ))的同時(shí)播放音頻，但是通話(huà)過(guò)程中應用處理器不會(huì )將這些記錄下來(lái)——這是一個(gè)可接受的局限性，因為用戶(hù)在這樣的使用場(chǎng)合下并不愿意查看第二個(gè)來(lái)電究竟有多大的接聽(tīng)價(jià)值。關(guān)閉一個(gè)通道，并使另一通道以低取樣率運行，可以控制DAC的功耗。

　　計時(shí)和接口

　　雖然在通訊和應用兩個(gè)領(lǐng)域之間共享內部電路模塊是可能的，但是這種情況卻不會(huì )在接口應用發(fā)生。這是因為每個(gè)音頻數據流均按自己本身的時(shí)鐘頻率，運行于一個(gè)獨立的時(shí)鐘領(lǐng)域。只有這種情形存在，組合式智能電話(huà)CODEC就同時(shí)需要一個(gè)PCM接口和一個(gè)獨立的I2S或AC 97連接。

　　在固定系統中，音頻時(shí)鐘通常是由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的。舉例來(lái)說(shuō)，AC 97規定符合該規范的CODEC應該具有一個(gè)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(jiàn)的是256。但是，在智能電話(huà)設計中，在額外功耗、PCB空間、和時(shí)鐘石英晶體成本的驅使下，設計師只好從另外一個(gè)已經(jīng)存在于PCB上的時(shí)鐘來(lái)派生Hi-Fi時(shí)鐘。雖然復雜的奇數頻率比(odd frequency ratios)需要由鎖相環(huán)(PLL)實(shí)現，該方案依然偏向于采用外部石英晶體，因為低功耗、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可能需要的一些時(shí)鐘信號，例如視頻增強型電話(huà)應用中MPEG解碼器的標準27MHz時(shí)鐘。在I2S CODEC中，不同取樣率需要不同的時(shí)鐘頻率，只要簡(jiǎn)單地將字時(shí)鐘LRCLK(其頻率為取樣率)乘以256或任何其它固定數字，PLL就能夠在每種情況下提供正確的時(shí)鐘。因此，元器件廠(chǎng)商一般傾向于在他們的智能電話(huà)CODEC中集成一個(gè)或兩個(gè)PLL。

　　話(huà)筒

　　在智能電話(huà)設計中，很多最棘手的問(wèn)題都與話(huà)筒有關(guān)。通常我們考慮的話(huà)筒至少有兩種：內建(內部)話(huà)筒和外部話(huà)筒，后者是耳機的一部份。為了消除噪音或實(shí)現立體聲錄制，可能需要一些輔助性?xún)炔吭?huà)筒，而汽車(chē)免提設備可能要與另一外部話(huà)筒連接。除通話(huà)外，這些話(huà)筒也可在應用處理器的控制下錄制通話(huà)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(huà)CODEC需要提供足夠的話(huà)筒輸入，最好具有可獨立調整的增益，以及靈活的內部路由路徑，以覆蓋所有使用場(chǎng)合。除錄音功能外，還應該提供一個(gè)“側音(side tone)”功能。這就為模擬輸出添加了一個(gè)衰減版本的模擬輸出，手機呼叫者就能夠聽(tīng)到他們自己的聲音。當插入或拔出耳機時(shí)，插入檢測能夠使內部話(huà)筒和外部話(huà)筒之間無(wú)縫切換。

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

　　消除噪聲屬于分離問(wèn)題，需要兩個(gè)話(huà)筒：一個(gè)負責拾起帶有背景噪聲的揚聲器話(huà)音，另一個(gè)只負責背景噪聲。在模擬領(lǐng)域，簡(jiǎn)單的減法操作幾乎無(wú)法達到滿(mǎn)意的結果，因為兩個(gè)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(lái)的方向。這里也需要數字信號處理，但是通過(guò)對這兩個(gè)話(huà)筒信號進(jìn)行數字化處理，CODEC必須使任務(wù)更容易完成。

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

　　耳機和耳塞

　　應對移動(dòng)電話(huà)耳機也需要特定的模擬電路。第一個(gè)明顯的任務(wù)是當耳機插入時(shí)，將來(lái)自聽(tīng)筒或其它揚聲器的輸出信號重新路由到耳機。雖然整合有插座的機械開(kāi)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，用于揚聲器的信號電平可能并不適合耳機。用于聽(tīng)筒、揚聲器的獨立模擬輸出，以及帶有獨立音量控制功能的耳塞可以解決這個(gè)問(wèn)題，而且還容許使用一個(gè)比較簡(jiǎn)單的插座。雖然依然需要一個(gè)機械開(kāi)關(guān)，但是一端連接于接地引腳的單孔、單擲機械開(kāi)關(guān)已經(jīng)足夠，所以插座只需要一個(gè)外部引腳。然而，在多媒體電話(huà)中，開(kāi)關(guān)的激活沒(méi)有必要代表耳機的插入;對一個(gè)標準規格的插座來(lái)說(shuō)，這可能正好相當于一個(gè)沒(méi)有話(huà)筒的耳機。因此，話(huà)筒的存在與否應該獨立檢測。