設(shè)計(jì)面向高清電視的全數(shù)字音頻系統(tǒng)

隨著數(shù)字錄音和傳輸?shù)某霈F(xiàn)，將數(shù)字信號(hào)源與數(shù)字處理直接結(jié)合起來(lái)提供端到端數(shù)字音頻系統(tǒng)的想法看起來(lái)即將實(shí)現(xiàn)。端到端數(shù)字音頻確保數(shù)字音頻源—無(wú)論是CD、DVD或HDTV—“原汁原味”地還原其錄制或發(fā)送時(shí)的高分辨率。此外，它使得音頻和視頻可以成為很多消費(fèi)產(chǎn)品的一種功能，而不僅僅是一種單功能的產(chǎn)品。最顯著的實(shí)例是蜂窩電話上的音頻播放器、在電視機(jī)頂盒中的錄像硬盤(pán)，以及甚至是電腦上的音頻/視頻播放功能。隨著音頻/視頻系統(tǒng)集成的增加和成本的降低，這僅僅是數(shù)字化生活爆發(fā)的開(kāi)始。

消費(fèi)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。現(xiàn)在，數(shù)字視頻錄像機(jī)(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(fèi)者開(kāi)始重視數(shù)字化生活帶來(lái)的方便性和酷的感覺(jué)，即使是按照傳統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量尺度來(lái)看存在一些折衷，如音頻的保真度。當(dāng)然消費(fèi)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(huì)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(fèi)產(chǎn)品的系統(tǒng)架構(gòu)越來(lái)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(dòng)。在數(shù)字信號(hào)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(jìn)步下，新產(chǎn)品類別，如數(shù)字高清電視(圖1)的實(shí)現(xiàn)變成現(xiàn)實(shí)。像過(guò)去使用模擬技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的濾波、解調(diào)制功能現(xiàn)在都以數(shù)字方式實(shí)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?cái)U(kuò)展，將越來(lái)越接近現(xiàn)實(shí)世界的邊界，并涵蓋越來(lái)越多的系統(tǒng)功能。

數(shù)字系統(tǒng)級(jí)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(dòng)性價(jià)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(chǔ)器和混合信號(hào)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(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)，使得非常復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)現(xiàn)在可以在單個(gè)SoC上實(shí)現(xiàn)。

圖1：目前的數(shù)字平板電視系統(tǒng)架構(gòu)

圖2：未來(lái)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(duì)消費(fèi)電子產(chǎn)品帶來(lái)了巨大影響，但是事實(shí)依然是我們基本上還生活在一個(gè)模擬的世界，這些大規(guī)模的數(shù)字SoC必須與這個(gè)模擬世界進(jìn)行對(duì)接。這種系統(tǒng)接口包括三個(gè)主要的功能，這些功能利用了混合信號(hào)和功率模擬技術(shù)：系統(tǒng)支撐、通信接口和消費(fèi)者界面。

系統(tǒng)支撐功能主要是外部電源與越來(lái)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(lán)牙、USB和蜂窩網(wǎng)絡(luò)。消費(fèi)者界面實(shí)現(xiàn)用戶與數(shù)字世界之間的銜接，包括像顯示驅(qū)動(dòng)器、麥克風(fēng)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(jià)比學(xué)習(xí)曲線(圖3)在過(guò)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?yàn)閿?shù)字SoC功能代表了主要的系統(tǒng)成本以及改善機(jī)會(huì)。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(jī)會(huì)，加快了性價(jià)比學(xué)習(xí)曲線。

圖3：SoC SIC價(jià)格-性能學(xué)習(xí)曲線和系統(tǒng)集成架構(gòu)。

今天，三個(gè)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(gè)“完美風(fēng)暴”，這類似于過(guò)去SoC所曾經(jīng)歷的那樣。首先，市場(chǎng)受到消費(fèi)者對(duì)數(shù)字生活方式的需求推動(dòng)，在產(chǎn)生、存儲(chǔ)、發(fā)送和處理數(shù)字內(nèi)容上的技術(shù)進(jìn)步也促進(jìn)了市場(chǎng)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(shí)用，這也推動(dòng)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(jì)。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(shì)，這三股力量相互加強(qiáng)，形成了系統(tǒng)接口芯片(SIC)集成的強(qiáng)大支持力量。

音頻是消費(fèi)電子產(chǎn)品的關(guān)鍵

便攜性和可用性是推出當(dāng)前消費(fèi)者期望的產(chǎn)品的成功關(guān)鍵因素(以iPod為見(jiàn)證)，實(shí)現(xiàn)這些產(chǎn)品特性的關(guān)鍵技術(shù)是針對(duì)便攜性的電源管理SIC和針對(duì)可用性的音頻SIC。音頻是當(dāng)前消費(fèi)電子產(chǎn)品中普遍存在的關(guān)鍵部分。事實(shí)上，很難以想象在哪個(gè)產(chǎn)品中—從平板電視到蜂窩電話、膝上型電腦、個(gè)人媒體播放器到錄像機(jī)甚至到數(shù)字像機(jī)—不具有或者將來(lái)也不會(huì)具有這樣或那樣的音頻功能。因而，音頻是SIC集成的一個(gè)自然的關(guān)鍵推動(dòng)因素。

不僅僅是單純出現(xiàn)音頻、音頻質(zhì)量—或者更準(zhǔn)確地說(shuō)—音頻的保真度，對(duì)于最終產(chǎn)品被消費(fèi)者所感知的質(zhì)量來(lái)說(shuō)是非常重要的。人對(duì)聲音體驗(yàn)的處理既是有意識(shí)的，也是潛意識(shí)地形成一種感覺(jué)并做出評(píng)判。音頻總是處于前面和中間，需要能夠聽(tīng)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(xì)節(jié)體驗(yàn)。

即使是在評(píng)估高清晰平板電視的圖像質(zhì)量時(shí)，如果配之以較高保真度的音響效果，消費(fèi)者都會(huì)對(duì)圖像做出更高的評(píng)價(jià)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師需要特別注意他們?cè)谙M(fèi)電子產(chǎn)品中設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(yàn)到的音頻保真度。對(duì)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(cè)試的衡量標(biāo)準(zhǔn)是必要的，但是它們通常并不能得出整個(gè)情況。以高清電視采用音頻放大器為例，兩個(gè)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(yàn)，這種體驗(yàn)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(shí)地再現(xiàn)非常小的音頻信號(hào)。例如，一個(gè)能再現(xiàn)滿幅度信號(hào)下100dB的信號(hào)放大器與一個(gè)只有85dBFS的放大器相比，聲音體驗(yàn)非常柔和、清晰、清脆。因此，盡管測(cè)試規(guī)格很重要，音頻放大器設(shè)計(jì)的藝術(shù)取決于多個(gè)設(shè)計(jì)因素的平衡以及“金耳朵”專家非常細(xì)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(lái)實(shí)現(xiàn)，這些是音頻信號(hào)鏈路的最后功能，在這里電子信號(hào)被轉(zhuǎn)換成可以聽(tīng)見(jiàn)的聲音信號(hào)。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(dāng)前使用數(shù)字SoC的系統(tǒng)架構(gòu)中，需要采用放大器來(lái)將數(shù)字音頻的比特轉(zhuǎn)換成功率模擬信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)低阻抗喇叭音圈，從而產(chǎn)生我們耳朵能聽(tīng)到的聲波。事實(shí)上，要低成本地實(shí)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(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù)，但是這種解決方案不能滿足當(dāng)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(dòng)，現(xiàn)在因?yàn)槠鋬?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(dá)90%，而A/B類放大器只有50%。當(dāng)前以音頻為主的消費(fèi)電子產(chǎn)品的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于：采用D類功率級(jí)以及數(shù)字信號(hào)接口以開(kāi)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(dāng)前的消費(fèi)電子產(chǎn)品中廣泛存在，對(duì)于感受產(chǎn)品質(zhì)量來(lái)說(shuō)是最重要的。數(shù)字化的生活方式推動(dòng)了對(duì)具備獨(dú)特?cái)?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(dòng)數(shù)字接口更接近于現(xiàn)實(shí)生活的邊界。半導(dǎo)體經(jīng)濟(jì)正在推動(dòng)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(shuō)，在消費(fèi)產(chǎn)品中，數(shù)字放大器技術(shù)相對(duì)于模擬SIC的集成是絕對(duì)必要的，正如視頻和圖像處理技術(shù)相對(duì)于數(shù)字SoC的是絕對(duì)必要一樣。

HDTV的數(shù)字放大器考慮

在考慮數(shù)字消費(fèi)電子設(shè)計(jì)，如高清晰平板電視時(shí)，發(fā)展出了三種都使用脈寬調(diào)制(PWM)D類輸出級(jí)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PWM D類放大器需要模擬輸入，依賴于一個(gè)DAC實(shí)現(xiàn)與來(lái)自SoC的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行接口。如果DAC集成在SoC中，在把這些敏感的模擬信號(hào)在電路板上進(jìn)行布線時(shí)，要特別注意規(guī)避干擾敏感性以及防止信號(hào)變壞。盡管因?yàn)槟MPWM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?yàn)樵诰哂袉渭?jí)開(kāi)關(guān)電壓的開(kāi)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(jì)，使用分段PWM或增量累加PWM來(lái)驅(qū)動(dòng)D類放大器輸出級(jí)。數(shù)字輸入接口通常使用一個(gè)來(lái)自處理器SoC的標(biāo)準(zhǔn)3線I2S數(shù)字總線，電路板設(shè)計(jì)顧慮得到緩解，對(duì)干擾的免疫能力得到提高。設(shè)計(jì)工程師通過(guò)消除互連長(zhǎng)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(guò)使用集成反饋環(huán)路和噪聲整形信號(hào)處理來(lái)抑制帶內(nèi)量化誤差以及對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行線性化；這樣確實(shí)能提供更優(yōu)的音頻保真度，大約為15比特(90dB)。然而，常見(jiàn)的批評(píng)是聲音體驗(yàn)有點(diǎn)刺耳并且音色不正。

另外一個(gè)設(shè)計(jì)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(hào)是采樣數(shù)據(jù)，按照離散的時(shí)間間隔改變電平，這個(gè)間隔時(shí)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(lái)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(guò)避免因?yàn)榘雽?dǎo)體技術(shù)導(dǎo)致的非線性，可以獲得超過(guò)17比特(>102dB)的精度以及保真度。通過(guò)使用雙電平數(shù)字-脈寬轉(zhuǎn)換方案，這種放大器能如實(shí)地再現(xiàn)甚至最小的音頻信號(hào)，提供一個(gè)柔和的、清晰的聲音體驗(yàn)。與增量累加調(diào)制不同的是，分段調(diào)制帶來(lái)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(biāo)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(dòng)了音頻/視頻系統(tǒng)的集成，架構(gòu)的數(shù)字化推動(dòng)消費(fèi)電子產(chǎn)品系統(tǒng)成本的降低。盡管在過(guò)去10年來(lái)非常陡峭的價(jià)格-性能學(xué)習(xí)曲線歸因于數(shù)字系統(tǒng)級(jí)芯片集成，現(xiàn)在系統(tǒng)接口功能展示了投資的黃金機(jī)會(huì)，并加快性價(jià)比學(xué)習(xí)曲線。因?yàn)橐纛l作為一個(gè)核心的部分廣泛存在于消費(fèi)電子產(chǎn)品中，因此，很自然地，對(duì)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(dāng)前的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在音頻數(shù)字功率放大器上采用新的選擇來(lái)彌合技術(shù)差距，實(shí)現(xiàn)不降低音頻保真度的數(shù)字生活方式。