功能豐富、完善的GSM/GPRS蜂窩電話(huà)音頻記錄/回放方案

蜂窩電話(huà)電路的復雜度和高密度給系統設計者帶來(lái)了挑戰，要想建立一條高品質(zhì)、滿(mǎn)足供應商規范的音頻記錄/回放通道將是一項困難重重的任務(wù)。新型號中增加的多媒體功能，例如照相機、鈴音發(fā)生器、MP3播放器和語(yǔ)音備忘錄等，通常要求更大程度的產(chǎn)品變化。這不僅僅只是增加一些新的元件，印制板布局也要做大的修改，這會(huì )造成不良接地以及由此而引起新的噪聲問(wèn)題。

蜂窩電話(huà)中模擬音頻通道上的噪聲和干擾通常歸因于射頻到音頻頻段的解調或共用/不良接地。

接收到來(lái)自于電話(huà)天線(xiàn)的高能量射頻信號時(shí)，電話(huà)中帶寬相對較低的音頻電路會(huì )錯誤地解調射頻發(fā)射信號。這會(huì )惡化音頻通道的噪聲背景?？梢栽谝纛l放大器電路中采取一定技術(shù)和結構將這種惡化效應減至最小，緊鄰輸入引腳放置抑制元件就是一種廉價(jià)的補救措施。經(jīng)常使用低值接地電容，因為設計者通常是按照射頻載波頻率選擇最低的電容器阻抗。

將所有通常會(huì )用到的模擬音頻輸入/輸出功能整合到單個(gè)IC中是一種非常有效的方案，它可將共用/不良接地帶來(lái)的影響減至最小。這實(shí)際上就是將問(wèn)題最多、最麻煩的接地問(wèn)題由印制板布局工程師轉移給了IC制造商。除了包含必要的模擬音頻輸入/輸出功能外，這種IC內同時(shí)還必須提供足夠支持語(yǔ)音頻段和任何多媒體功能(例如應用處理器)的數字音頻接口。該IC還應提供對于不同單元的分區關(guān)斷控制，以最大化電池壽命。

下面著(zhù)重討論在單芯片方案中出現的一些模擬/數字音頻問(wèn)題。我們以MAX9851―這種簡(jiǎn)化GSM/GPRS蜂窩電話(huà)設計的技術(shù)方案為樣板展開(kāi)討論。

模擬音頻―降低麥克風(fēng)噪聲

高增益音頻電路，例如麥克風(fēng)放大器(麥克放大器)，受不良接地的影響最大。單端電路結構尤其如此，在這種電路中，麥克放大器參考地和信號源參考地(本例中為麥克的GND引腳)之間很小的電壓差都會(huì )被放大進(jìn)入信號通道。在類(lèi)似于蜂窩電話(huà)這樣的復雜產(chǎn)品中，音頻部分的地平面往往是和其他電路共用的，由于銅接地面不是“零歐姆” (我們常常如此認為)，這會(huì )帶來(lái)性能惡化問(wèn)題。因此，如有任何電流流過(guò)這個(gè)有限的電阻，都會(huì )在地平面上產(chǎn)生一個(gè)小的電位差。

接地問(wèn)題可以利用一個(gè)全差分輸入的麥克放大器解決。這種方法已被MAX9851采用，實(shí)際就是利用差分輸入對麥克的GND引腳進(jìn)行遠端感應。采用遠端感應后，CODEC參照端和麥克GND之間的交流電壓差對于麥克放大器呈現為共模信號。這個(gè)電壓差被放大器的共模抑制比衰減，因而顯著(zhù)降低了它對于信號通道的等效噪聲貢獻。這種設計的唯一代價(jià)是需要在麥克和CODEC之間多布一條印制板線(xiàn)條，以及增加一個(gè)耦合電容。

MAX9851也可切換到一個(gè)外部的立體聲麥克輸入來(lái)取代內部麥克。這種輸入通常來(lái)自于汽車(chē)免提或其他外部耳機。這種情況下，EXTMICGND引腳“Kelvin感應 ” L和R兩個(gè)通道，利用放大器的輸入CMRR可以消除地噪聲，原理同上所述。EXTMICGND的印制板布線(xiàn)應該一直延伸到汽車(chē)免提插座或耳機插孔的GND端，以獲得最佳效果(圖1)。

麥克偏置電路也會(huì )給信號通道引入顯著(zhù)的噪聲。大部分偏置電壓噪聲會(huì )直接呈現在麥克放大器的輸入端。更加合理的麥克放大器設計，正如MAX9851中所集成的那樣，應該提供一個(gè)經(jīng)過(guò)調整的、輸出噪聲水平和麥克放大器輸入噪聲水平相匹配的低噪聲偏置電壓。

模擬音頻―立體聲DirectDrive?耳機和受話(huà)器輸出

要想以接近于CD的音質(zhì)播放壓縮的音樂(lè )文件就需要高質(zhì)量的耳機音頻回放電路。信噪比(SNR)、線(xiàn)性和帶寬都要比基本的300Hz至4kHz語(yǔ)音通道大幅度提高。低頻擴展可能會(huì )有問(wèn)題，因為耳機驅動(dòng)器通常都要串聯(lián)電容來(lái)阻止耳機放大器的直流偏壓被進(jìn)入耳機。常見(jiàn)的立體聲耳機典型阻抗可低至16Ω，它和串聯(lián)電容構成高通濾波器，對于低頻成分有衰減作用。要想擴展低頻響應，例如向下到100Hz，對于16Ω立體聲耳機就需采用兩個(gè)100μF隔直電容。

利用Maxim的DirectDrive技術(shù)可以去掉這兩個(gè)串聯(lián)電容，因為放大器的輸出參照于0V。這種情況下的低頻分量則受限于去直流濾波器(數字源，正如MAX9851中所設計的)，或者受限于線(xiàn)路或麥克等模擬源輸入上的輸入耦合電容。DirectDrive設計的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，當其離開(kāi)或進(jìn)入關(guān)斷模式時(shí)，從根本上消除了產(chǎn)生咔嗒/噼噗聲的原因。因為沒(méi)有串聯(lián)電容，也就無(wú)需對電容充電或放電，開(kāi)/關(guān)過(guò)程中沒(méi)有凈電流流過(guò)耳機。

MAX9851的立體聲耳機輸出也可工作在橋式單聲道方式(圖2)，以便兼容不同的耳機和配件。同一個(gè)插座既可用于立體聲耳機，或者也可用于單聲道頭機(麥克加開(kāi)關(guān)和揚聲器)。這種模式下輸出仍然參照于地，耳機電纜上沒(méi)有直流電壓。因此，出現短路故障的機會(huì )要小的多。

受話(huà)器輸出也使用Direct Drive設計中的電荷泵來(lái)供電，這樣輸出仍然是單端的，允許揚聲器負端連接到GND (0V)。輸出仍然具有和更為典型的BTL (差分)輸出幾乎相同的電壓擺幅，因為反相電荷泵提供了一個(gè)絕對值幾乎等于外加AVDD的負電源軌。最終輸出到受話(huà)器揚聲器兩端的峰到峰輸出幾乎可以達到2 x AVDD。

模擬音頻―D類(lèi)揚聲器放大器

MAX9851整合了Maxim的第三代D類(lèi)技術(shù)來(lái)驅動(dòng)8Ω (或4Ω)揚聲器。D類(lèi)(開(kāi)關(guān)型)放大器相對于A(yíng)B類(lèi)(線(xiàn)性)放大器的優(yōu)勢主要在效率。AB類(lèi)放大器會(huì )在輸出元件中耗散大量功率，除非放大器被驅動(dòng)到削波狀態(tài)。然而，由于D類(lèi)放大器的輸出元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其熱耗要小的多，因此可以延長(cháng)電池壽命。如果蜂窩電話(huà)被頻繁用在揚聲器模式，或支持按下即通話(huà)(push-to-talk：PTT)工作方式，延長(cháng)的電池壽命會(huì )非常顯著(zhù)。

然而，在使用D類(lèi)結構時(shí)需要特別謹慎，尤其是當用在核心功能為射頻收/發(fā)的產(chǎn)品中時(shí)，例如蜂窩電話(huà)。高效率D類(lèi)放大器工作中產(chǎn)生的快速切換沿會(huì )帶來(lái)射頻輻射問(wèn)題，特別是當印制板布線(xiàn)和揚聲器引線(xiàn)較長(cháng)時(shí)問(wèn)題會(huì )更嚴重。為應對射頻輻射問(wèn)題，MAX9851中的立體聲D類(lèi)揚聲器放大器采用了公司專(zhuān)有的EMI抑制技術(shù)(主動(dòng)限制輻射)，以輕微的效率降低為代價(jià)，大幅度抑制了揚聲器引線(xiàn)/布線(xiàn)上的射頻輻射。精湛的IC構造技術(shù)使D類(lèi)開(kāi)關(guān)輸出級對于CODEC中其他敏感的低噪聲模擬電路的干擾減至最低。

該立體聲放大器可直接工作于未經(jīng)過(guò)電壓調整的單節鋰離子電池，當工作于4.2V電源時(shí)可向8Ω揚聲器輸出1W功率(圖3)。如果使用更低阻抗的揚聲器，還可以輸出更高功率，不過(guò)在蜂窩電話(huà)常用的小口徑揚聲器中很難找到4Ω的。

數字音頻―通用架構，信號流

為實(shí)現通話(huà)―這個(gè)GSM/GPRS蜂窩電話(huà)的基礎功能，要求系統提供一條8kHz (或16kHz)采樣率的ADC/DAC通道，兩個(gè)方向都具有16位深度。在MAX9851中，該輸入/輸出通道完全同步于13MHz (或26MHz，對應于fs = 16kHz)的MCLK輸入，以確保沒(méi)有丟失或重復的采樣。S1數字輸入/輸出接口能夠工作于GSM語(yǔ)音模式(圖4)，可為這項基礎功能提供接口。S1數字接口可工作于主或從模式。

許多中高檔電話(huà)一般還要求提供位數和采樣率更高的DAC功能。例如用它來(lái)播放WMA/MP3音樂(lè )或產(chǎn)生WAV文件的鈴音。將用于此功能的數模轉換與用于語(yǔ)音的轉換器整合在一起有利于提高集成度，并且使所有數據轉換任務(wù)集中到一個(gè)“點(diǎn)源”中。這樣的整合在產(chǎn)品設計中非常有用，如果試圖在模擬域中綜合兩種功能，勢必會(huì )遇到地環(huán)路和音頻電平差異等問(wèn)題。

因此，用一個(gè)轉換器整合語(yǔ)音和多媒體數據看起來(lái)是一個(gè)理想方案。這種方法的主要困難在于，所有語(yǔ)音轉換必須保持同步至GSM/GPRS速率(受控于MCLK輸入)。而對于多媒體播放，通常要求不相關(guān)的采樣率：例如44.1kHz或48kHz。MAX9851采用一種類(lèi)似于采樣率轉換(SRC)的算法對數字輸入數據進(jìn)行處理，解決了這個(gè)問(wèn)題，因而可以利用單個(gè)DAC以同步方式對語(yǔ)音和多媒體組合數據進(jìn)行轉換。

從模式下，輸入GSM語(yǔ)音數據的采樣率必須保持準確(受控于MCLK)。而內部數字PLL鎖定于S2數字接口的LRCLK輸入，以便準確地(多個(gè)采樣的平均)回放非同步多媒體音頻數據。在主模式下，語(yǔ)音數據仍然準確地對準于所需要的MCLK整數分頻，但S2 LRCLK數據速率只是近似值，有輕微的fs誤差，通常不會(huì )有顯著(zhù)影響。S1或S2輸入均可支持8kHz至48kHz的采樣率。

MAX9851的S2數字輸入/輸出接口支持I2S和其他一些流行的小的變型。當不工作于GSM語(yǔ)音模式時(shí)，S1接口也可被編程為支持I2S，提供最大程度的接口靈活性，滿(mǎn)足多功能高端電話(huà)的需求。

數字音頻―GSM濾波器

正如圖5所示，S1數字輸入/輸出接口上有一個(gè)額外的濾波器，在GSM語(yǔ)音模式下可以被使能。這些數字單元是嚴格規范的低通和高通濾波器的一個(gè)高效率實(shí)現。它們對接近Nyquist頻率和低頻段的能量加以抑制。該濾波器經(jīng)證實(shí)有利于滿(mǎn)足噪聲和信號泄漏規范，使電話(huà)更易于通過(guò)測試和認證。圖6給出了濾波器的頻率響應。

結語(yǔ)

上述實(shí)例只是強調了蜂窩電話(huà)系統設計師/架構師必須解決的少數幾個(gè)問(wèn)題。這種終端應用的設計周期越來(lái)越短，性能的整合也在不斷地完善和變化，幾乎每個(gè)型號都有所不同。因此，投入一定的時(shí)間，選擇一個(gè)具有良好工程規劃、應用靈活、功能全面的核心芯片組，應該是很有意義的。

低噪聲模擬電路以不同的采樣速率與多種回放/記錄系統接口，對于這部分電路的控制僅是總體設計任務(wù)的一部分。在一個(gè)方案中整合以下特性也很重要：