智能電話CODEC的音頻整合技術(shù)前景

電話CODEC通常帶有一個(gè)脈沖編碼調(diào)制(Pulse Code Modulation，PCM)接口。嚴(yán)格來說，PCM概念包含了今天我們正在使用的大多數(shù)數(shù)字格式，其中包括I2S;PCM的初衷是將數(shù)字編碼和諸如調(diào)頻之類的模擬技術(shù)加以區(qū)別。然而，在數(shù)字電話中，PCM通常指一種特定的，與Hi-Fi立體聲不兼容的單音數(shù)據(jù)格式。

　　計(jì)算機(jī)音頻的出現(xiàn)也孕育了另一類接口的的出現(xiàn)。由于質(zhì)量要求與現(xiàn)有消費(fèi)音頻市場類似，就出現(xiàn)了以不同的取樣率(特別是8kHz、44.1kHz和48kHz)來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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)將該項(xiàng)任務(wù)交給CODEC處理，通過專門的硬件可以實(shí)現(xiàn)非常高的效率。目前，AC 97已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)音頻領(lǐng)域的主導(dǎo)性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　便攜式系統(tǒng)起初時(shí)還保持著自己的本來面目：個(gè)性CD、迷你唱碟和MP3播放器使用的是I2S DAC，移動(dòng)電話保留了PCM技術(shù)，而具有音頻增強(qiáng)功能的PDA一般采用同臺(tái)式計(jì)算機(jī)相同的AC 97 CODEC。因此，這簡直令人震驚，第一代組合系統(tǒng)通常含有電話和PDA兩塊電路板，兩者背靠背排列在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，其PCM通話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(yīng)用處理器進(jìn)行控制。然而，CODEC根本就不是為這類應(yīng)用設(shè)計(jì)的，幾乎很少或者根本就沒有為這兩個(gè)音頻子系統(tǒng)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(hào)路徑中插入一些分立的固態(tài)(solidstate)開關(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(yīng)用量身定做一個(gè)整合方案是很受歡迎的。受系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)設(shè)計(jì)理念的啟發(fā)，某些廠商已經(jīng)將立體聲DAC或CODEC集成到大規(guī)模集成電路中。然而，這類方式并不能實(shí)現(xiàn)專用音頻芯片所達(dá)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?yàn)殡娫凑{(diào)節(jié)器通常會(huì)向附近的音頻信號(hào)路徑中引入噪音。

　　將音頻整合到數(shù)字IC中同樣非常棘手，因?yàn)檎嬲腍i-Fi元器件一般要求采用最適合混合信號(hào)應(yīng)用的0.35μm工藝，而數(shù)字邏輯電路已經(jīng)發(fā)展到了0.18μm甚至于以下水平。對(duì)於這兩種單芯片整合方法來說，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(shè)計(jì)的話)。

　　喇叭放大器會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要采用適當(dāng)?shù)纳嵫b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(dāng)成真正的“系統(tǒng)芯片”方案對(duì)待，它們通常需要一個(gè)外部揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器IC。另外一個(gè)常見的問題是由于希望IC尺寸盡可能小，導(dǎo)致模擬輸入或輸出數(shù)量不足。在方形封裝(如QFN四方扁平封裝，無引線)中，管腳環(huán)繞IC四周排列，可以通過將每邊的長度延長1mm來容納少數(shù)額外管腳，導(dǎo)致IC腳距大幅度增加。舉例來說，從5×5mm增加到6×6mm需要額外占用11mm2 PCB面積;如果從10×10mm封裝開始，額外增加的面積就是21mm2。

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

　　實(shí)現(xiàn)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)功能配置專門的轉(zhuǎn)換器可以克服這個(gè)問題，而且還能延長電池的使用壽命，因?yàn)殡娫捈?jí)(telephonygrade)音頻模塊的功耗可以設(shè)計(jì)得比Hi-Fi功能的功耗還要低。然而，這類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(例如第二個(gè)來電的響鈴或音樂)的同時(shí)播放音頻，但是通話過程中應(yīng)用處理器不會(huì)將這些記錄下來——這是一個(gè)可接受的局限性，因?yàn)橛脩粼谶@樣的使用場合下并不愿意查看第二個(gè)來電究竟有多大的接聽價(jià)值。關(guān)閉一個(gè)通道，并使另一通道以低取樣率運(yùn)行，可以控制DAC的功耗。

　　計(jì)時(shí)和接口

　　雖然在通訊和應(yīng)用兩個(gè)領(lǐng)域之間共享內(nèi)部電路模塊是可能的，但是這種情況卻不會(huì)在接口應(yīng)用發(fā)生。這是因?yàn)槊總€(gè)音頻數(shù)據(jù)流均按自己本身的時(shí)鐘頻率，運(yùn)行于一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘領(lǐng)域。只有這種情形存在，組合式智能電話CODEC就同時(shí)需要一個(gè)PCM接口和一個(gè)獨(dú)立的I2S或AC 97連接。

　　在固定系統(tǒng)中，音頻時(shí)鐘通常是由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的。舉例來說，AC 97規(guī)定符合該規(guī)范的CODEC應(yīng)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，最常見的是256。但是，在智能電話設(shè)計(jì)中，在額外功耗、PCB空間、和時(shí)鐘石英晶體成本的驅(qū)使下，設(shè)計(jì)師只好從另外一個(gè)已經(jīng)存在于PCB上的時(shí)鐘來派生Hi-Fi時(shí)鐘。雖然復(fù)雜的奇數(shù)頻率比(odd frequency ratios)需要由鎖相環(huán)(PLL)實(shí)現(xiàn)，該方案依然偏向于采用外部石英晶體，因?yàn)榈凸?、低噪音PLL能夠以較低的成本集成到混合信號(hào)IC中。該方法也適合其它子系統(tǒng)可能需要的一些時(shí)鐘信號(hào)，例如視頻增強(qiáng)型電話應(yīng)用中MPEG解碼器的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)字，PLL就能夠在每種情況下提供正確的時(shí)鐘。因此，元器件廠商一般傾向于在他們的智能電話CODEC中集成一個(gè)或兩個(gè)PLL。

　　話筒

　　在智能電話設(shè)計(jì)中，很多最棘手的問題都與話筒有關(guān)。通常我們考慮的話筒至少有兩種：內(nèi)建(內(nèi)部)話筒和外部話筒，后者是耳機(jī)的一部份。為了消除噪音或?qū)崿F(xiàn)立體聲錄制，可能需要一些輔助性內(nèi)部話筒，而汽車免提設(shè)備可能要與另一外部話筒連接。除通話外，這些話筒也可在應(yīng)用處理器的控制下錄制通話記錄，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CODEC需要提供足夠的話筒輸入，最好具有可獨(dú)立調(diào)整的增益，以及靈活的內(nèi)部路由路徑，以覆蓋所有使用場合。除錄音功能外，還應(yīng)該提供一個(gè)“側(cè)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(jī)呼叫者就能夠聽到他們自己的聲音。當(dāng)插入或拔出耳機(jī)時(shí)，插入檢測能夠使內(nèi)部話筒和外部話筒之間無縫切換。

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

　　消除噪聲屬于分離問題，需要兩個(gè)話筒：一個(gè)負(fù)責(zé)拾起帶有背景噪聲的揚(yáng)聲器話音，另一個(gè)只負(fù)責(zé)背景噪聲。在模擬領(lǐng)域，簡單的減法操作幾乎無法達(dá)到滿意的結(jié)果，因?yàn)閮蓚€(gè)噪聲信號(hào)的在相位和振幅方面有所不同，具體取決于噪聲進(jìn)來的方向。這里也需要數(shù)字信號(hào)處理，但是通過對(duì)這兩個(gè)話筒信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，CODEC必須使任務(wù)更容易完成。

　　另外一類出現(xiàn)在戶外應(yīng)用的噪音是風(fēng)噪音。該噪音主要局限于200Hz以下的頻率，可以通過高通濾波器大幅度減小。最簡單的解決方案是在話筒的輸入級(jí)使用一個(gè)較小容值的耦合電容器。然而，這也阻止了話筒在戶內(nèi)音樂錄制方面的應(yīng)用——這有可能使低音也消失。對(duì)於雙用話筒，濾波應(yīng)因此成為一種備選項(xiàng)。值得一提的是，大多數(shù)音頻ADC已經(jīng)帶有一個(gè)內(nèi)建的高通濾波器，用以去除數(shù)字信號(hào)中的直流偏壓。集成電路廠商已經(jīng)為移動(dòng)電話應(yīng)用定制了這個(gè)特征：少數(shù)Hz用于Hi-Fi，100-200Hz用于具有風(fēng)力噪音濾除增強(qiáng)功能的通話。當(dāng)然，模擬濾波和數(shù)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(jī)和耳塞

　　應(yīng)對(duì)移動(dòng)電話耳機(jī)也需要特定的模擬電路。第一個(gè)明顯的任務(wù)是當(dāng)耳機(jī)插入時(shí)，將來自聽筒或其它揚(yáng)聲器的輸出信號(hào)重新路由到耳機(jī)。雖然整合有插座的機(jī)械開關(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(yáng)聲器的信號(hào)電平可能并不適合耳機(jī)。用于聽筒、揚(yáng)聲器的獨(dú)立模擬輸出，以及帶有獨(dú)立音量控制功能的耳塞可以解決這個(gè)問題，而且還容許使用一個(gè)比較簡單的插座。雖然依然需要一個(gè)機(jī)械開關(guān)，但是一端連接于接地引腳的單孔、單擲機(jī)械開關(guān)已經(jīng)足夠，所以插座只需要一個(gè)外部引腳。然而，在多媒體電話中，開關(guān)的激活沒有必要代表耳機(jī)的插入;對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的插座來說，這可能正好相當(dāng)于一個(gè)沒有話筒的耳機(jī)。因此，話筒的存在與否應(yīng)該獨(dú)立檢測。
對(duì)于駐極體話筒，這可以通過監(jiān)測話筒的偏置電流來實(shí)現(xiàn)：如果沒有電流流動(dòng)，就沒有話筒插入。相反，一個(gè)不尋常的大偏置電流也很有意義：為了避免標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)/耳塞插座額外增加一個(gè)接點(diǎn)，用以應(yīng)答來自耳塞(也稱作hookswitch)呼叫的按鈕通常會(huì)短接(shorts out)話筒。因此，偏置電流增加，就表明hookswitch被壓下。向片上話筒偏壓電路中添加一個(gè)電流傳感器，智能電話CODEC就能檢測到這兩種情況，并針對(duì)每一種情況自動(dòng)采取正確的行動(dòng)。

　　喇叭

　　最近，移動(dòng)電話中喇叭的數(shù)量和輸出功率已經(jīng)增加。然而1990年代單個(gè)聽筒已是基本配置，現(xiàn)代clamshell設(shè)計(jì)的特色是具有內(nèi)側(cè)和外側(cè)揚(yáng)聲器，可以在手機(jī)打開或關(guān)閉的情況下分別播放各自的音響。立體聲響鈴需要兩個(gè)外部揚(yáng)聲器，而流行的免提功能除了小型聽筒外，可能還需要另外一個(gè)“大型”(參照移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn))揚(yáng)聲器。對(duì)于話筒，為每個(gè)揚(yáng)聲器提供專門的模擬輸出比片外切換具有很多優(yōu)勢(shì)。由于喇叭放大器能吸收大電源電流，在非激勵(lì)狀態(tài)下切斷它們的電源是至關(guān)重要的。智能電話CODEC提供了越來越多的微電源(granular power)管理功能,允許啟用或關(guān)閉每個(gè)輸出，避免任何不必要的電池消耗。

　　另外，現(xiàn)有電源管理方案中的電壓調(diào)節(jié)器通常無法提供充足的電流來驅(qū)動(dòng)以最大音量工作的揚(yáng)聲器。針對(duì)這個(gè)問題，CODEC廠商設(shè)計(jì)了一些片上喇叭放大器，以便直接通過電池(鋰離子電池的典型電壓在4.2V左右)運(yùn)行，而不是調(diào)整后的電源電壓。雖然這樣做通常并不節(jié)能(喇叭放大器要額外耗能，電壓調(diào)節(jié)器也是這樣)，但是卻不需要另外的電壓調(diào)節(jié)器。

　　響鈴

　　同過去幾年相比，響鈴的復(fù)雜度一直在穩(wěn)步增加，已經(jīng)從當(dāng)初單調(diào)的“嗶嗶”序列音調(diào)發(fā)展成多音曲子，甚至于WAV和MP3段子，從字面上講任何類型的聲音都能制作成立體聲。MIDI已經(jīng)變成多音響鈴接口標(biāo)準(zhǔn)，許多廠商已經(jīng)為這個(gè)新應(yīng)用開發(fā)出低成本的MIDI芯片。將此類IC整合到音頻子系統(tǒng)，要求CODEC具有一個(gè)額外的模擬輸入。

　　這些額外的輸入對(duì)連接FM收音機(jī)IC來說也是有用的，它為多媒體設(shè)備添加了另一項(xiàng)功能。MIDI鈴聲的產(chǎn)生電路當(dāng)然應(yīng)該集成于CODEC;然而，總的趨勢(shì)是將隨意響玲作為聲音文件保存下來，再通過現(xiàn)有的Hi-Fi DAC進(jìn)行播放，這就限制了該想法對(duì)IC廠商的吸引力，因?yàn)樗麄兊腎P產(chǎn)品還沒有包含MIDI。

　　未來發(fā)展

　　那么，智能電話音頻的未來究竟如何?目前，一些值得關(guān)注的數(shù)字音頻趨勢(shì)包括：從立體聲向多聲道環(huán)繞聲格式轉(zhuǎn)移，最近推出的“Azalia高清晰度音頻”標(biāo)準(zhǔn)很可能被大多數(shù)PC和筆記本電腦所采用。

　　雖然不久以前，那些曾經(jīng)嘲笑將立體聲揚(yáng)聲器置于移動(dòng)電話想法的人，已經(jīng)被今天的市場現(xiàn)實(shí)證實(shí)是錯(cuò)誤的;但是在可以遇見的未來，手持式裝置不可能發(fā)展成多聲道。同樣，目前也不能證明Azalia新特征的成本和功耗比AC 97高。I2S與AC 97之間的爭議正在繼續(xù)，某些設(shè)計(jì)者偏向于較不復(fù)雜的I2S接口，而其他一些人較喜好AC 97較少的引腳數(shù)及其易于處理的各種取樣率。由于很多用于移動(dòng)電話的低功耗處理器目前已經(jīng)能夠提供可以滿足上述兩個(gè)陣營嗜好的雙標(biāo)準(zhǔn)音頻接口，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)繼續(xù)共存下去。相反，設(shè)計(jì)一個(gè)支持兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CODEC是相當(dāng)困難的，因?yàn)橐訟C 97為代表的VRA(可變數(shù)據(jù)率音頻)需要一個(gè)與I2S完全不同的計(jì)時(shí)方案，以及顯著數(shù)量的額外數(shù)字電路。

　　使用一個(gè)音頻時(shí)鐘將應(yīng)用處理器與通訊處理器成功整合到單個(gè)數(shù)字器件的經(jīng)驗(yàn)，將使通話接口與Hi-Fi音頻接口的合并成為可能，并可能最終促使業(yè)界重新回到低復(fù)雜度的CODEC。但就目前來說，IC廠商正在專注於將其它現(xiàn)有的混合信號(hào)元件集成到他們的音頻CODEC內(nèi)，其中包括觸摸屏功能、電壓調(diào)節(jié)器和電源管理。

　　到現(xiàn)在為止，整合成像方案的進(jìn)程(ready availability)阻止了音頻與照相機(jī)或視頻功能的整合，但是這絕不是一成不變的(a law set in stone)。與此同時(shí)，諸如3D增強(qiáng)、圖形補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)壓縮之類的音頻特性正開始蔓延，聲音質(zhì)量、功率消耗和包裝尺寸也日趨完善。