隨時隨地實(shí)現(xiàn)移動設(shè)備的高質(zhì)量音頻

 推動手機(jī)和平板電腦音頻發(fā)展的重要交叉因素有兩個，即：1.日益增加的產(chǎn)品差異化需求;2.更高的客戶期望。智能手機(jī)和平板電腦原始設(shè)備制造商正在利用各個商用IC供應(yīng)商的應(yīng)用處理器和基帶調(diào)制解調(diào)器(集成和組合)的各種組合，圍繞芯片組搭建平臺。因此，原始設(shè)備制造商不會像在規(guī)定和/或設(shè)計(jì)芯片組時所做的那樣控制或區(qū)分功能組。如今，他們必須尋求其它方式創(chuàng)造差異化的移動用戶體驗(yàn)，包括提供隨時隨地的音頻體驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要充分利用手機(jī)和平板電腦的揚(yáng)聲器，而眾所周知，它們的音量很小。因此，就需要添加DSP聲音處理(又名：音頻后處理)，消除噗噗聲，并利用其它音頻技巧，制造功耗低且不會產(chǎn)生不必要的繼發(fā)影響(如電磁干擾等)的高輸出(高音量)揚(yáng)聲器放大器;還需確定工程師用來提供更好的聲音的一些重要參數(shù)、技術(shù)、趨勢和創(chuàng)新手段。

手機(jī)公司利用商用芯片組時，需尋找新的途徑，實(shí)現(xiàn)多樣化的產(chǎn)品外觀、手感、聲音，及能讓用戶體驗(yàn)何種功能。對于聲音來說，在不久之前，手機(jī)用戶對音頻性能的要求很低，因此，無論將何種放大器置入核心芯片組都不錯。但是，隨著市場上出現(xiàn)越來越多的創(chuàng)新型電話、平板電腦和應(yīng)用程序，用戶期望也迅速提高，其中也包括音頻。用戶希望隨時隨地享用音質(zhì)良好的音頻。

通過添加DSP聲音處理(又名：音頻后處理)，可消除噗噗聲，并利用其它音頻技巧，能制造高輸出(高音量)揚(yáng)聲器放大器。

音頻工程是一件藝術(shù)性工作，因?yàn)槁曇羰且环N主觀的個人體驗(yàn)，音頻工程需要進(jìn)行不斷的權(quán)衡和判斷。以下例子展示了音頻工程師為給移動平臺引入更好聲音所運(yùn)用的幾種技術(shù)。每一種都值得深入探討，但是我們僅做簡單介紹，以回顧幾個重要的問題、趨勢和解決方案。

1.動態(tài)范圍、信噪比(SNR)和總諧波失真加噪聲(THD+N)

音頻性能的經(jīng)典衡量方式是信噪比或動態(tài)范圍。如同產(chǎn)品性能的許多其它可比衡量方式一樣，信噪比受“技術(shù)指標(biāo)差距”的制約，而“技術(shù)指標(biāo)差距”的不同解讀方式被用來最好地定位產(chǎn)品， 并非完全考慮客觀純度。為了提供更好的客觀性，音頻工程師協(xié)會(AES)為音頻工程衡量創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)。總諧波失真加噪聲是一種比單獨(dú)總諧波失真更常用、更有用的衡量標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槟芨鼫?zhǔn)確地再現(xiàn)使用案例(即噪聲物質(zhì))。將其帶入公式即：總諧波失真+噪聲=諧波功率+噪聲功率總和除以總輸出功率。注意，僅當(dāng)測量時的失真水平一定時，輸出功率才有意義。

圖1比較了從CD到專業(yè)音頻等不同音頻設(shè)備的動態(tài)范圍。手機(jī)和平板電腦音頻性能的推動力是趕超MP3播放器的動態(tài)范圍(約100 dB)，而如今的手機(jī)和平板電腦市場也正在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

2.麥克風(fēng)和音頻后處理

移動平臺支持幾個麥克風(fēng)變得非常必要，因?yàn)镈SP回音消除以及其它先進(jìn)音頻和語音處理都需要多個麥克風(fēng)。差分麥克風(fēng)輸入被用于降低噪聲、射頻和串?dāng)_的發(fā)生。在移動音頻系統(tǒng)中，麥克風(fēng)、音頻編解碼器和DSP處理器共同來實(shí)現(xiàn)先進(jìn)功能。智能機(jī)音頻的提升正在往DSP這個戰(zhàn)場集中，DSP回聲消除、3D空間和其它音頻功能利用多個麥克風(fēng)為處理提供輸入。一個簡單的例子是需要至少兩個麥克風(fēng)，是為了將語音信號與背景噪聲分開。一個麥克風(fēng)聽語音和背景噪聲，另一個僅聽背景噪聲。 DSP/編解碼系統(tǒng)然后收到那些信號，減除噪聲，以提供更清晰的語音信號。

使用數(shù)字麥克風(fēng)(駐極體電容麥克風(fēng)和微機(jī)電系統(tǒng)麥克風(fēng))代替模擬麥克風(fēng)逐漸流行，受到移動原始設(shè)備制造商的推動，因?yàn)槠鋽?shù)字痕跡對手機(jī)處理器和廣播集成電路(如基帶調(diào)制解調(diào)器) 的噪聲侵?jǐn)_具有更好的免疫力。

3.減少噗噗聲

噗噗噪聲是音頻中的經(jīng)典問題，常常發(fā)生于音頻輸入開機(jī)、關(guān)機(jī)、靜音或連接至不同負(fù)荷時，可能產(chǎn)生瞬變，可通過揚(yáng)聲器或耳機(jī)聽到。減少噗噗聲在移動應(yīng)用程序中日漸重要，因?yàn)橐苿硬僮骱茏匀粫?dǎo)致物體關(guān)機(jī)，以節(jié)省電力。當(dāng)然，這意味著，應(yīng)再將其打開，以創(chuàng)建開/關(guān)和關(guān)/開過渡，導(dǎo)致聲音瞬變。在過去，減少噗噗聲是通過外部電容解決的。但是，隨著集成水平的提高，為了減少開支，提高性能，需要消減電容，提供創(chuàng)新芯片方法來減少噗噗聲。

插入手機(jī)時，內(nèi)外部麥克風(fēng)之間的轉(zhuǎn)換是噗噗聲的另一個來源。這可通過提供插入檢測電路進(jìn)行管理。緩慢打開和關(guān)閉是抑制噗噗聲的另一種方法。緩慢打開和關(guān)閉對于不具有隔直電容的音頻驅(qū)動器來說非常有用，因?yàn)樗僧a(chǎn)生直流偏移電壓。緩慢打開，正如其字面意思，斜變切換電阻，使得負(fù)載電壓擺率慢慢提高，從而使噗噗聲不會出現(xiàn)。一種方法是使用緩慢開啟的集成音頻開關(guān)。圖2的飛兆緩慢開啟音頻開關(guān)展示了這一理念。此產(chǎn)品具有可調(diào)節(jié)(緩慢)打開和關(guān)閉，其范圍為1毫秒~200毫秒。此圖顯示了100毫秒的設(shè)置。

特別是對移動設(shè)備來說，噗噗聲設(shè)計(jì)訣竅變得非常關(guān)鍵，這是音頻工程看起來像藝術(shù)的另一個原因，因?yàn)猷坂勐暤母兄苤饔^，使得經(jīng)驗(yàn)和一些小的技巧成為成功的重要部分。

4.動態(tài)范圍控制(DRC)和揚(yáng)聲器保護(hù)

將家用立體聲放大器聲音(未)調(diào)高的人，會密切注意到揚(yáng)聲器過度驅(qū)動時的情況。你的耳朵將不得不忍受刺耳的失真聲。另一方面，如果放大器不接近于揚(yáng)聲器的最大限度，揚(yáng)聲器便不會產(chǎn)生巨大聲響。需要接近一條微線。一種方法是通過動態(tài)范圍控制來控制放大器的增益，嘗試優(yōu)化音質(zhì)，以在記錄信號水平最大化時防止失真。這就像以前進(jìn)行模擬錄音時，你可以邊觀察錄音機(jī)VU表(圖3)，邊手動調(diào)整輸入音量，以使指針在響亮通路時始終位于紅色區(qū)域之外，并在安靜期間提高音量，掩蓋模擬錄音機(jī)的偏差聲音。

這字面意思即為手動動態(tài)范圍壓縮。如今，這可以通過集成電路自動完成，監(jiān)控信號水平并提供反饋，以增加或減少增益。其結(jié)果是抑制聲音范圍(即高低水平和低高水平)，使聆聽者聽到的聲音更好。但是，小揚(yáng)聲器音量水平提高的同時，損壞風(fēng)險也隨之上升。因此，揚(yáng)聲器保護(hù)方法正變得日益重要。

揚(yáng)聲器可能會出現(xiàn)的一個最危險的現(xiàn)象是消波現(xiàn)象。放大器驅(qū)動超過揚(yáng)聲器限制時，消波就會發(fā)生，這會使信號看起來越來越像一個方波，而不是一般的音頻信號。使用術(shù)語“消波”是因?yàn)槠渖喜靠雌饋硐髌搅?圖4)。

消波對揚(yáng)聲器來說很危險的原因是，信號開始削平時，更多的高次諧波就會產(chǎn)生，從而呈現(xiàn)超出揚(yáng)聲器能夠承受的能量，造成永久破壞。移動音頻放大器現(xiàn)在增添了防消波機(jī)制，以限制其輸出，更好地匹配揚(yáng)聲器。最基本的防消波方法是設(shè)置增益，使其不高于利用自動增益控制(AGC)技術(shù)預(yù)設(shè)的水平。目前正在開發(fā)其它更加成熟的揚(yáng)聲器保護(hù)方法，主動監(jiān)控?fù)P聲器狀態(tài)，并將信息反饋給放大器，以保證操作安全。一些主動的揚(yáng)聲器保護(hù)方案可以利用放大器本身的小信號處理器進(jìn)行信號分析。所有類型的揚(yáng)聲器保護(hù)，無論是主動的還是被動的，都可以使移動平臺制造商更加簡便地提供聲音更大、更持久的音頻，因此，揚(yáng)聲器保護(hù)將繼續(xù)成為音頻王國的關(guān)鍵事項(xiàng)。 5.噪聲門限

某些移動音頻放大器目前提供噪聲門限功能。當(dāng)信號低于指定水平時，噪聲門限會使輸出靜音，就像老式的靜噪抑制電路一樣，減少系統(tǒng)中的廣播、DAC和其它噪聲(圖5)。相對于音樂來說，噪聲門限功能對語音更有用。根據(jù)設(shè)計(jì)，有時會運(yùn)用介入和衰減參數(shù)控制并設(shè)置噪聲門限。

6.均衡化

均衡器僅是一套運(yùn)用于整個音頻范圍內(nèi)頻率范圍窄片的音量控制器。五段均衡器特別適用于移動平臺。均衡器可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者定制輸出信號，以在特定環(huán)境中優(yōu)化揚(yáng)聲器的性能。在高保真立體聲早期，一般音頻消費(fèi)者開始知道均衡器。有人指出，一旦均衡器進(jìn)行設(shè)置，負(fù)責(zé)房間內(nèi)的特殊音響就都是“一次性”的。這是一個相似的案例;但是相對于房間，移動設(shè)計(jì)者更關(guān)心手機(jī)和平板電腦。其理念是使揚(yáng)聲器和最佳聲學(xué)性能盒子相匹配。如果將揚(yáng)聲器塞入盒子中的非最佳位置(因?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)考慮因素，常常發(fā)生)，均衡化就非常重要。芯片組內(nèi)部編解碼器或外部音頻編解碼器上的均衡器可為特殊的外殼(盒子)設(shè)置參數(shù)，從而改善產(chǎn)品的整體音質(zhì)。均衡化可被視為一種重要的DSP功能，可使手機(jī)音質(zhì)更佳。

7.D類放大器和降低電磁干擾

音頻討論最終似乎還得圍繞類別之爭理念—其含義是不同類別音頻放大器的比較。讓我們看看吧。D類對移動設(shè)備來講是一種卓越的技術(shù)，因其效率相較于AB類好很多，但是D類的缺點(diǎn)是電磁干擾，而且其音質(zhì)沒有AB類的好。市場無形之手已經(jīng)權(quán)衡了利弊，似乎D類對揚(yáng)聲器放大器來說更可接受，至少在目前是如此的。對于耳機(jī)來說，AB類、G類和H類仍然是普遍的選擇，盡管D類有時也會用到。

D類的趨勢是消除其內(nèi)置脈寬寬度調(diào)制式轉(zhuǎn)換架構(gòu)產(chǎn)生的不必要的電磁干擾，這需要用不同的方法抑制電磁干擾。一種運(yùn)用于脈寬寬度調(diào)制式系統(tǒng)(如D類)的抑制方法是擴(kuò)頻調(diào)制，其中輸出橋轉(zhuǎn)換頻率圍繞中心轉(zhuǎn)換頻率變化。隨著頻率隨機(jī)變化，電磁能量更加廣泛地散發(fā)，峰值輻射能量減少。

另一種減少電磁干擾的方法是邊緣速率控制 (ERC)。在D類產(chǎn)品中，高頻率能量位于脈寬寬度調(diào)制式方波輸出的邊緣，因此更快的輸出上升下降次數(shù)將產(chǎn)生更高的頻率能量。減少邊緣的鋒利度，高頻率能量就會減少?；仡櫼幌?，方波越完美(即越方)，就會產(chǎn)生越多的諧波，因此，減少方波的完美度可降低產(chǎn)生輻射的高頻率諧波成分。但是，這又會消耗更多的功率。同時，目前，我們應(yīng)清楚改變方波的形狀實(shí)際上是在破壞它，從而增加總諧波失真加噪聲，盡管這時是故意為之。因此，在決定什么可接受時，需要進(jìn)行權(quán)衡。我們可再一次見識到進(jìn)行合適的權(quán)衡真的是良好音頻工程藝術(shù)的一部分。

8.增強(qiáng)型揚(yáng)聲器放大器

移動音頻的一個重要趨勢是向聲音更大的音頻轉(zhuǎn)換，這可通過高輸出揚(yáng)聲器放大器來實(shí)現(xiàn)。高輸出通過將直流-直流升壓轉(zhuǎn)換器適宜地添加至揚(yáng)聲器放大器IC上。D類內(nèi)置升壓放大器的一個很好的例子是飛兆FAB3103(圖6)。

添加直流/直流升壓轉(zhuǎn)換器對音頻IC分區(qū)具有非常重要的影響，因?yàn)樯龎弘娐冯妷核降脑?，不適合集成到模擬移動基帶或者音頻編碼I C內(nèi)部。因此，更大聲的需求已經(jīng)開啟了將音頻放大器獨(dú)立于編解碼系統(tǒng)和模擬基帶設(shè)備之外的趨勢。

揚(yáng)聲器放大器目前的輸出功率在1.7W~2.5W之間，還在增長，因?yàn)橐苿悠脚_制造商稱他們希望輸出的聲音盡量大。更高的輸出驅(qū)動，當(dāng)然意味著更多的功率消耗，這并不是移動平臺制造商所希望的。所以，音頻工程師正在尋找新的途徑，重新運(yùn)用老辦法來降低功率。目前適用于D類的一種創(chuàng)新方法是借用G類的理念，即使用電源多路復(fù)用器。飛兆FAB3103是使用此技術(shù)的一種D類音頻放大器。

9.新方向

移動音頻進(jìn)步的新領(lǐng)域是注意平板膜揚(yáng)聲器或者，甚至是將手機(jī)或平板電腦的外表作為揚(yáng)聲器。還有一種觀點(diǎn)，是將云中流出的高清音樂分流。行業(yè)研究者稱，移動音樂分流將使注冊者數(shù)量從2011年的600萬增加至2016 年的1.6億，綜合年增長率高達(dá)95%。隨著音頻分流的迅速增長，手機(jī)和平板電腦硬件產(chǎn)品將需要配備音頻IC，實(shí)現(xiàn)隨時隨地的移動音頻體驗(yàn)。