面向高清電視全數(shù)字音頻系統(tǒng)的設(shè)計
消費者已經(jīng)熱烈的擁抱了數(shù)字化生活方式。在不久之前，TiVo和MP3播放器以及高清電視在技術(shù)上非常新穎?，F(xiàn)在，數(shù)字視頻錄像機(DVR)和iPod以及平板電視是一類很酷的產(chǎn)品，正在形成今天的流行文化。消費者開始重視數(shù)字化生活帶來的方便性和酷的感覺，即使是按照傳統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量尺度來看存在一些折衷，如音頻的保真度。當然消費者依然重視保真度，他們依然偏好于聲音效果更好的產(chǎn)品，但音頻保真度較低并不會妨礙他們接受這種數(shù)字生活方式。技術(shù)必須彌合這種差距。
系統(tǒng)架構(gòu)的數(shù)字化
消費產(chǎn)品的系統(tǒng)架構(gòu)越來越多地得到數(shù)字化，受到數(shù)字連接功能的爆炸性需求推動。在數(shù)字信號處理以及像MPEG解碼和視頻縮放這樣的復(fù)雜功能算法的處理器技術(shù)進步下，新產(chǎn)品類別，如數(shù)字高清電視(圖1)的實現(xiàn)變成現(xiàn)實。像過去使用模擬技術(shù)來實現(xiàn)的濾波、解調(diào)制功能現(xiàn)在都以數(shù)字方式實現(xiàn)，成本和功耗更低，性能更高。如圖2所示，在系統(tǒng)架構(gòu)中數(shù)字所涉及的區(qū)域不斷地擴展，將越來越接近現(xiàn)實世界的邊界，并涵蓋越來越多的系統(tǒng)功能。
數(shù)字系統(tǒng)級芯片(SoC)集成已經(jīng)成為系統(tǒng)架構(gòu)數(shù)字化的主要關(guān)鍵技術(shù)，并推動性價比的急劇增加。按照摩爾定律，工藝尺寸從0.25微米下降到0.18微米，再到0.13微米，現(xiàn)在已經(jīng)低于100納米。存儲器和混合信號電路的工藝創(chuàng)新以及DSP/RISC處理器架構(gòu)的發(fā)展，都使得可以在更低的成本和更小的硅片上集成更多的功能。像Broadcom和Marve這些新公司的建立都是利用這種強大的產(chǎn)業(yè)趨勢，使得非常復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)現(xiàn)在可以在單個SoC上實現(xiàn)。
圖1：目前的數(shù)字平板電視系統(tǒng)架構(gòu)
圖2：未來的數(shù)字平板電視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)接口芯片Tornado
盡管數(shù)字SoC集成對消費電子產(chǎn)品帶來了巨大影響，但是事實依然是我們基本上還生活在一個模擬的世界，這些大規(guī)模的數(shù)字SoC必須與這個模擬世界進行對接。這種系統(tǒng)接口包括三個主要的功能，這些功能利用了混合信號和功率模擬技術(shù)：系統(tǒng)支撐、通信接口和消費者界面。
系統(tǒng)支撐功能主要是外部電源與越來越復(fù)雜的系統(tǒng)電源管理之間的接口。通信接口將數(shù)字SoC與數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)相連接，如以太網(wǎng)、Wi-Fi、藍牙、USB和蜂窩網(wǎng)絡(luò)。消費者界面實現(xiàn)用戶與數(shù)字世界之間的銜接，包括像顯示驅(qū)動器、麥克風輸入、音頻/視頻線入/出，以及到喇叭的音頻放大器輸出。
盡管SoC性價比學習曲線(圖3)在過去十年中非常地陡，但系統(tǒng)接口功能僅獲得有限的改善。直到最近，這依然保持常態(tài)，因為數(shù)字SoC功能代表了主要的系統(tǒng)成本以及改善機會。然而，這種情況已經(jīng)發(fā)生了改變。系統(tǒng)接口功能的成本占了IC成本的很大比例，產(chǎn)生了投資的黃金機會，加快了性價比學習曲線。
圖3：SoCSIC價格-性能學習曲線和系統(tǒng)集成架構(gòu)。
今天，三個產(chǎn)業(yè)因素匯合在一起圍繞著系統(tǒng)接口功能上產(chǎn)生了一個“完美風暴”，這類似于過去SoC所曾經(jīng)歷的那樣。首先，市場受到消費者對數(shù)字生活方式的需求推動，在產(chǎn)生、存儲、發(fā)送和處理數(shù)字內(nèi)容上的技術(shù)進步也促進了市場的發(fā)展。其次，如高壓(HV)CMOS這樣的關(guān)鍵半導(dǎo)體工藝技術(shù)已經(jīng)步入實用，這也推動了低成本地集成系統(tǒng)接口功能(需要電源模擬電路)所必須要求的規(guī)模經(jīng)濟。第三，出現(xiàn)了可以用于功率模擬功能的創(chuàng)新架構(gòu)技術(shù)，例如電源管理和音頻放大。隨著SoC集成趨勢，這三股力量相互加強，形成了系統(tǒng)接口芯片(SIC)集成的強大支持力量。
音頻是消費電子產(chǎn)品的關(guān)鍵
便攜性和可用性是推出當前消費者期望的產(chǎn)品的成功關(guān)鍵因素(以iPod為見證)，實現(xiàn)這些產(chǎn)品特性的關(guān)鍵技術(shù)是針對便攜性的電源管理SIC和針對可用性的音頻SIC。音頻是當前消費電子產(chǎn)品中普遍存在的關(guān)鍵部分。事實上，很難以想象在哪個產(chǎn)品中—從平板電視到蜂窩電話、膝上型電腦、個人媒體播放器到錄像機甚至到數(shù)字像機—不具有或者將來也不會具有這樣或那樣的音頻功能。因而，音頻是SIC集成的一個自然的關(guān)鍵推動因素。
不僅僅是單純出現(xiàn)音頻、音頻質(zhì)量—或者更準確地說—音頻的保真度，對于最終產(chǎn)品被消費者所感知的質(zhì)量來說是非常重要的。人對聲音體驗的處理既是有意識的，也是潛意識地形成一種感覺并做出評判。音頻總是處于前面和中間，需要能夠聽出是按鈕按下的聲音、旋鈕旋轉(zhuǎn)的聲音，或者是音軌的清晰、溫暖和細節(jié)體驗。
即使是在評估高清晰平板電視的圖像質(zhì)量時，如果配之以較高保真度的音響效果，消費者都會對圖像做出更高的評價。系統(tǒng)設(shè)計工程師需要特別注意他們在消費電子產(chǎn)品中設(shè)計的音頻的保真度，選擇在不損害音頻保真度的情況下能滿足系統(tǒng)對功耗、接口兼容性、外形尺寸、一致性以及成本要求的技術(shù)。
數(shù)字放大器——音頻SIC的關(guān)鍵
設(shè)計真正高保真音頻器件是非常棘手的事。很多可以明了和難以明了的因素共同影響體驗到的音頻保真度。對于好的音頻質(zhì)量，盡管像總諧波失真(THD)和信噪比(SNR)這些可測試的衡量標準是必要的，但是它們通常并不能得出整個情況。以高清電視采用音頻放大器為例，兩個放大器都具有0.1~0.2%的THD以及105dB的SNR相近的性能，但是仍然可以得到非常不一樣的聲音體驗，這種體驗取決于失真的特性和噪聲，并取決于放大器能多大程度上真實地再現(xiàn)非常小的音頻信號。例如，一個能再現(xiàn)滿幅度信號下100dB的信號放大器與一個只有85dBFS的放大器相比，聲音體驗非常柔和、清晰、清脆。因此，盡管測試規(guī)格很重要，音頻放大器設(shè)計的藝術(shù)取決于多個設(shè)計因素的平衡以及“金耳朵”專家非常細致的主觀判斷。
音頻保真度最終要依靠喇叭和功率放大器來實現(xiàn)，這些是音頻信號鏈路的最后功能，在這里電子信號被轉(zhuǎn)換成可以聽見的聲音信號。不同領(lǐng)域之間的轉(zhuǎn)換總是很棘手，在這里也不利外。在當前使用數(shù)字SoC的系統(tǒng)架構(gòu)中，需要采用放大器來將數(shù)字音頻的比特轉(zhuǎn)換成功率模擬信號，這個信號可以驅(qū)動低阻抗喇叭音圈，從而產(chǎn)生我們耳朵能聽到的聲波。事實上，要低成本地實現(xiàn)這種功能—符合總體系統(tǒng)要求且不需要犧牲聲音的保真度—是很困難的，但也是必要的。
盡管最初采用傳統(tǒng)的A/B類模擬放大器與音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)組合就是為實現(xiàn)這個任務(wù)，但是這種解決方案不能滿足當前數(shù)字系統(tǒng)架構(gòu)要求的功效和集成能力。D類放大器最初是受到平板電視的熱敏感因素推動，現(xiàn)在因為其優(yōu)越的功效而得到很多數(shù)字音頻系統(tǒng)的采納，其效率達90%，而A/B類放大器只有50%。當前以音頻為主的消費電子產(chǎn)品的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于：采用D類功率級以及數(shù)字信號接口以開發(fā)出高保真的放大器技術(shù)。
很明顯，數(shù)字音頻放大器技術(shù)是音頻系統(tǒng)SIC集成的關(guān)鍵。音頻在當前的消費電子產(chǎn)品中廣泛存在，對于感受產(chǎn)品質(zhì)量來說是最重要的。數(shù)字化的生活方式推動了對具備獨特數(shù)字音頻放大器屬性的新產(chǎn)品要求，系統(tǒng)架構(gòu)的數(shù)字化推動數(shù)字接口更接近于現(xiàn)實生活的邊界。半導(dǎo)體經(jīng)濟正在推動SIC集成以包含所有的功能;在這種追求中，集成數(shù)字音頻放大器是最為關(guān)鍵的挑戰(zhàn)?？梢哉f，在消費產(chǎn)品中，數(shù)字放大器技術(shù)相對于模擬SIC的集成是絕對必要的，正如視頻和圖像處理技術(shù)相對于數(shù)字SoC的是絕對必要一樣。
HDTV的數(shù)字放大器考慮
在考慮數(shù)字消費電子設(shè)計，如高清晰平板電視時，發(fā)展出了三種都使用脈寬調(diào)制(PWM)D類輸出級的數(shù)字放大器架構(gòu)：1.模擬PWM加DAC;2.增量累加PWM;3.分段(Sub-ranging)PWM。圖4展示了在高清晰平板電視中使用的幾種數(shù)字放大器架構(gòu)的幾種關(guān)鍵產(chǎn)品屬性比較。
圖4：各類數(shù)字放大器性能比較一覽表
傳統(tǒng)模擬PWMD類放大器需要模擬輸入，依賴于一個DAC實現(xiàn)與來自SoC的數(shù)字信號進行接口。如果DAC集成在SoC中，在把這些敏感的模擬信號在電路板上進行布線時，要特別注意規(guī)避干擾敏感性以及防止信號變壞。盡管因為模擬PWM放大器的低成本使得其成為平板電視的普遍選擇，音頻保真度性能居于中等，因為在具有單級開關(guān)電壓的開關(guān)大功率MOSFET中存在局限性，并被限制為大約13比特(80dB)。
最近，引入了數(shù)字放大器設(shè)計，使用分段PWM或增量累加PWM來驅(qū)動D類放大器輸出級。數(shù)字輸入接口通常使用一個來自處理器SoC的標準3線I2S數(shù)字總線，電路板設(shè)計顧慮得到緩解，對干擾的免疫能力得到提高。設(shè)計工程師通過消除互連長度以及布局接近數(shù)字SoC的要求，而獲得更大的靈活性和自由度。
盡管通常比模擬PWM放大器更貴，增量累加PWM放大器通過使用集成反饋環(huán)路和噪聲整形信號處理來抑制帶內(nèi)量化誤差以及對輸出信號進行線性化;這樣確實能提供更優(yōu)的音頻保真度，大約為15比特(90dB)。然而，常見的批評是聲音體驗有點刺耳并且音色不正。
另外一個設(shè)計考慮涉及抑制從放大器輸出引入的電磁干擾(EMI)。數(shù)字放大器的輸出信號是采樣數(shù)據(jù)，按照離散的時間間隔改變電平，這個間隔時間由脈沖重復(fù)頻率(PRF)定義，它產(chǎn)生的諧波是主要的EMI源。增量累加調(diào)制器采用更高的PRF來獲得改善的音頻性能，因此需要特別注意EMI的抑制。
分段PWM數(shù)字放大器通過避免因為半導(dǎo)體技術(shù)導(dǎo)致的非線性，可以獲得超過17比特(>102dB)的精度以及保真度。通過使用雙電平數(shù)字-脈寬轉(zhuǎn)換方案，這種放大器能如實地再現(xiàn)甚至最小的音頻信號，提供一個柔和的、清晰的聲音體驗。與增量累加調(diào)制不同的是，分段調(diào)制帶來的性能改善并不直接與PRF相關(guān)，而是與有效地從保真度目標消除EMI耦合有關(guān)。更重要的是，分段PWM放大器成本低，可修正以跟其它音頻系統(tǒng)接口功能集成。
本文小結(jié)
數(shù)字生活方式的爆發(fā)性發(fā)展現(xiàn)在推動了音頻/視頻系統(tǒng)的集成，架構(gòu)的數(shù)字化推動消費電子產(chǎn)品系統(tǒng)成本的降低。盡管在過去10年來非常陡峭的價格-性能學習曲線歸因于數(shù)字系統(tǒng)級芯片集成，現(xiàn)在系統(tǒng)接口功能展示了投資的黃金機會，并加快性價比學習曲線。因為音頻作為一個核心的部分廣泛存在于消費電子產(chǎn)品中，因此，很自然地，對于在終端產(chǎn)品品質(zhì)上非常重要的音頻保真度而言，系統(tǒng)接口芯片與放大器的集成非常關(guān)鍵。當前的系統(tǒng)設(shè)計工程師在音頻數(shù)字功率放大器上采用新的選擇來彌合技術(shù)差距，實現(xiàn)不降低音頻保真度的數(shù)字生活方式。
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