智能手機(jī)中的音頻設(shè)計(jì)

1、智能手機(jī)中的音頻設(shè)計(jì)當(dāng)手機(jī)不斷地整合包括照相、游戲、數(shù)據(jù)、視頻等各種功能于一身時(shí)，它已搖身變成一個(gè)多媒體應(yīng)用的播放平臺(tái)，可說(shuō)是朝細(xì)致而微的隨身型迷你計(jì)算機(jī)發(fā)展。在定位上，這樣的手機(jī)有別于既有的純粹語(yǔ)音的手機(jī)(voice phone)或具備某些功能的手機(jī)(feature phone)，而當(dāng)屬于智能型手機(jī)(smart phone)。智能型手機(jī)除了具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)編輯管理能力，更能提供音、視頻、游戲等多媒體應(yīng)用服務(wù)，也能同時(shí)處理多項(xiàng)工作。更進(jìn)一步來(lái)看，它的功能面涵蓋了通信、信息與多媒體功能，即：1. 通信功能：語(yǔ)音、訊息(messaging)、認(rèn)證(authentication)、計(jì)費(fèi)(billing

2、)等等通信處理功能;2. 信息功能：email、行事歷、信息管理、sync、安全性等信息處理功能;3. 多媒體功能：視頻、照相、游戲、tv、串流、音樂(lè)、drm等多媒體應(yīng)用功能;除了信息功能外，在通信與多媒體的應(yīng)用上，音頻是必要的處理任務(wù)。在過(guò)去，手機(jī)只需要處理單純的語(yǔ)音通話信號(hào)，但今日的智能型手機(jī)中得處理的音頻任務(wù)繁重，除了多音調(diào)振鈴、mp3音樂(lè)外，可能還要有fm廣播及游戲音效，而且不能只是單聲道的效果，現(xiàn)在要求的是立體聲的臨場(chǎng)感體驗(yàn)。過(guò)去，數(shù)字音頻的世界是截然兩分的：一邊是hi-fi的世界，另一邊則是語(yǔ)音的世界。一般而言，hi-fi是指16bit立體聲質(zhì)量、以44.1khz取樣的音頻，也就是

3、cd音樂(lè)的規(guī)格;電話語(yǔ)音則是8bit和8khz的單聲道(mono)、低質(zhì)量音頻。不過(guò)，進(jìn)入智能型手機(jī)的時(shí)代，兩個(gè)音頻世界開(kāi)始撞擊在一起了，如何將音頻子系統(tǒng)完善地與應(yīng)用及通信處理平臺(tái)整合在一起，就成了便攜式設(shè)備工程師開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)的關(guān)鍵性挑戰(zhàn)。音頻編碼格式與接口在進(jìn)入系統(tǒng)架構(gòu)的探討前，先來(lái)看看音頻編碼的現(xiàn)狀。目前音頻編碼的格式繁多，針對(duì)聲音的編碼就有pcm、adpcm、dm、pwm、wma、ogg、 amr、acc、mp3pro以及mp3等;針對(duì)人類(lèi)語(yǔ)音有l(wèi)pc、celp與acelp等;其它還有mpeg-2、mpeg-4、h.264、vc-1 等視聽(tīng)節(jié)目的編碼格式。以下介紹三種常用的音頻格式：am

4、r格式amr為自適應(yīng)多碼率語(yǔ)音傳輸編譯碼器(adpative multi-rate speech codec)，最初版是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(etsi)為gms系統(tǒng)所制定的語(yǔ)音編譯碼標(biāo)準(zhǔn)，而因頻寬又分為兩種amr-nb(amr narrowband)和amr-wb(amr wideband)。以市場(chǎng)最大品牌nokia來(lái)說(shuō)，其多數(shù)手機(jī)都支持上述兩種格式的音頻文件。mp3格式mp3是mpeg audiolayer3的縮寫(xiě)，這是一種音頻壓縮技術(shù)，其編碼具有10:1-12:1的高壓縮率，可以保持低頻部分不失真，但犧牲了音頻中12khz -16khz的高頻部份來(lái)降低文件大小，其“.mp3”格式文件一般只有

5、“.wav”的10%。另外，mp3受到歡迎的一大原因，是它并非受到版權(quán)保護(hù)的技術(shù)，所以任何人都可以使用。mp3格式壓縮音樂(lè)的取樣頻率有很多種，可以用64kbps或更低的編碼來(lái)節(jié)省空間，亦可以用到 320kbps達(dá)到極高的壓縮音質(zhì)。mp3在編碼速率上，又分為cbr(固定編碼)，與及“vbr”(可變碼率)技術(shù)，有些手機(jī)無(wú)法播放下載來(lái)的音樂(lè)，正是因?yàn)闆](méi)有支持“vbr”格式的mp3音樂(lè)。aac格式aac即高級(jí)音頻編碼(advanced audio coding)，它采用的運(yùn)算方式是與mp3不同，aac可以同時(shí)支持多達(dá)48個(gè)音軌、15個(gè)低頻音軌、更多種取樣率和傳輸率、具有多種言語(yǔ)的兼容能力，以及更高的解

6、碼效率?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，aac可以在比mp3格式再縮小30%的條件下提供更好的音質(zhì)，而且聲音保真度好，更接近原音，所以被手機(jī)界視為是最佳的音頻編碼格式。aac是一個(gè)大家族，他們是共分為9種規(guī)格，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的需要：(1) mpeg-2aac lc 低復(fù)雜度規(guī)格 (low complexity)(2) mpeg-2 aac main 主規(guī)格(3) mpeg-2 aac ssr 可變?nèi)勇室?guī)格 (scaleable sample rate)(4) mpeg-4 aac lc低復(fù)雜度規(guī)格(lowcomplexity)，現(xiàn)在的手機(jī)比較常見(jiàn)的mp4檔中的音頻部份就包括了該規(guī)格音頻文件(5) mpeg-4aa

7、c main 主規(guī)格(6) mpeg-4 aac ssr 可變?nèi)勇室?guī)格 (scaleable sample rate)(7) mpeg-4 aac ltp長(zhǎng)時(shí)期預(yù)測(cè)規(guī)格(long term prediction)(8) mpeg-4 aac ld低延遲規(guī)格(low delay)(9) mpeg-4 aac he高效率規(guī)格(high efficiency上述的規(guī)格中，主規(guī)格(main)包含了增益控制以外的全部功能，其音質(zhì)是最好，而低復(fù)雜度規(guī)格(lc)則是比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有了增益控制，但提高了編碼效率，至于ssr與lc規(guī)格大致相同，但是多了增益的控制功能，另外，ltp/ld/he都是用在低碼率下的編

8、碼，其中he采用neroacc編碼器支持，是近來(lái)常用的一種編碼率方式。不過(guò)一般來(lái)說(shuō)，main規(guī)格和lc規(guī)格的音質(zhì)相差不大，因此考慮手機(jī)目前的內(nèi)存仍有限的情況下，目前使用最多的aac規(guī)格是 lc規(guī)格。音頻接口音頻接口是智能型手機(jī)設(shè)計(jì)者需考慮的重要議題。數(shù)字語(yǔ)音一般采用pcm(pulse code modulation)接口，而hi-fi立體聲則采用串行i2s(inter-ic sound)接口或ac97接口。i2s是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，是目前消費(fèi)性音頻產(chǎn)品中常用的接口;ac?7則是英特爾公司用于提升個(gè)人計(jì)算機(jī)音效、降低噪音的規(guī)格，由于在1997年制訂，

9、因此稱(chēng)為ac97。因此，為特定應(yīng)用而量身定制一套整合性的解決方案是較理想的作法。在soc的技術(shù)趨勢(shì)下，已有一些廠商將立體聲數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(dac)或編譯碼器(codec)整合到特定功能的ic當(dāng)中。不過(guò)，有些功能適合整合在一起，有些則可能得到反效果。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)廠商將電源管理和音頻處理功能整合在一起時(shí)，通常得在音質(zhì)的部分做妥協(xié)，因?yàn)殡娫捶€(wěn)壓器(regulator) 所產(chǎn)生的噪音會(huì)干擾到附近的音頻路徑;若將音頻功能整合到數(shù)字ic中也有困難，因?yàn)閷?duì)于hi-fi的組件來(lái)說(shuō)，需要用到0.35mm的工藝來(lái)讓混合訊號(hào)處理得到最佳化效能，但目前數(shù)字邏輯方面的應(yīng)用已朝0.18mm以下的更高工藝發(fā)展。以上述兩種整

10、合性的芯片策略來(lái)說(shuō)，要讓兩種不同的電路同時(shí)存在于一個(gè)芯片當(dāng)中，其最終的芯片尺寸可能也會(huì)大到難以接受。此外，揚(yáng)聲器功率放大機(jī)(loudspeaker amplifier)特別難被整合。它所產(chǎn)生的熱是一個(gè)問(wèn)題，需要做散熱處理，因此往往需要另一顆獨(dú)立的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)ic。還有一個(gè)整合上的常見(jiàn)問(wèn)題，也就是為了讓ic盡量做到最小化，可能會(huì)產(chǎn)生模擬輸入或輸出接腳數(shù)目不足的問(wèn)題。專(zhuān)屬的音頻ic可避免這些問(wèn)題，而音頻整合有好幾種方法可以達(dá)成。共享adc和dac能減少硬件成本，但卻不能同時(shí)播放或錄制兩種音頻流格式。為個(gè)別功能安排專(zhuān)用的轉(zhuǎn)換器(converter)可以解決這個(gè)問(wèn)題，不過(guò)，此一作法會(huì)增加芯片成本。折中的

11、作法是只共享adc的部分，但有獨(dú)立的dac，這樣做的話，當(dāng)電話通信在進(jìn)行時(shí)，也同時(shí)可以播放其它音頻(如播放另一通電話的鈴聲，或播放音樂(lè))，但在通信時(shí)不能同時(shí)進(jìn)行錄音。adc的耗電可以通過(guò)關(guān)掉一種功能，而以較低取樣速率的方式來(lái)加以控制。因此，為特定應(yīng)用而量身定制一套整合性的解決方案是較理想的作法。在soc的技術(shù)趨勢(shì)下，已有一些廠商將立體聲數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(dac)或編譯碼器(codec)整合到特定功能的ic當(dāng)中。不過(guò)，有些功能適合整合在一起，有些則可能得到反效果。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)廠商將電源管理和音頻處理功能整合在一起時(shí)，通常得在音質(zhì)的部分做妥協(xié)，因?yàn)殡娫捶€(wěn)壓器(regulator) 所產(chǎn)生的噪音會(huì)干擾

12、到附近的音頻路徑;若將音頻功能整合到數(shù)字ic中也有困難，因?yàn)閷?duì)于hi-fi的組件來(lái)說(shuō)，需要用到0.35mm的工藝來(lái)讓混合訊號(hào)處理得到最佳化效能，但目前數(shù)字邏輯方面的應(yīng)用已朝0.18mm以下的更高工藝發(fā)展。以上述兩種整合性的芯片策略來(lái)說(shuō)，要讓兩種不同的電路同時(shí)存在于一個(gè)芯片當(dāng)中，其最終的芯片尺寸可能也會(huì)大到難以接受。此外，揚(yáng)聲器功率放大機(jī)(loudspeaker amplifier)特別難被整合。它所產(chǎn)生的熱是一個(gè)問(wèn)題，需要做散熱處理，因此往往需要另一顆獨(dú)立的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)ic。還有一個(gè)整合上的常見(jiàn)問(wèn)題，也就是為了讓ic盡量做到最小化，可能會(huì)產(chǎn)生模擬輸入或輸出接腳數(shù)目不足的問(wèn)題。專(zhuān)屬的音頻ic可避免

13、這些問(wèn)題，而音頻整合有好幾種方法可以達(dá)成。共享adc和dac能減少硬件成本，但卻不能同時(shí)播放或錄制兩種音頻流格式。為個(gè)別功能安排專(zhuān)用的轉(zhuǎn)換器(converter)可以解決這個(gè)問(wèn)題，不過(guò)，此一作法會(huì)增加芯片成本。折中的作法是只共享adc的部分，但有獨(dú)立的dac，這樣做的話，當(dāng)電話通信在進(jìn)行時(shí)，也同時(shí)可以播放其它音頻(如播放另一通電話的鈴聲，或播放音樂(lè))，但在通信時(shí)不能同時(shí)進(jìn)行錄音。adc的耗電可以通過(guò)關(guān)掉一種功能，而以較低取樣速率的方式來(lái)加以控制。在計(jì)算機(jī)的音頻需求上，基本上與消費(fèi)性市場(chǎng)相似，但為了要能播放不同取樣速率(8khz、44.1khz、48khz)下錄音的音樂(lè)文件，所以需要有更有效率和

14、便宜的解決方案，而ac97就具有這樣的特性。在廣義的手持式設(shè)備市場(chǎng)中，三種格式各有其擁護(hù)者：cd、md、mp3隨身聽(tīng)會(huì)采用i2s接口;移動(dòng)電話會(huì)采用pcm接口;具音頻功能的pda則使用和pc一樣的ac97編碼格式。音頻系統(tǒng)整合策略在較早的系統(tǒng)中，通常是將電話與pda的電路并排放在這個(gè)設(shè)備外殼內(nèi)，其中pcm語(yǔ)音編譯碼由通信處理器來(lái)控制，hi-fi立體聲(ac?7或i2s) 的處理則連到另一顆應(yīng)用處理器。在此架構(gòu)中，兩個(gè)音頻子系統(tǒng)之間的整合性還很低，分布式的硬件切換電路除了較占空間、需要額外的外圍組件來(lái)做信號(hào)交換和混音外，也會(huì)帶來(lái)諧波失真(harmonic distortion)等的問(wèn)題。因此，為

15、特定應(yīng)用而量身定制一套整合性的解決方案是較理想的作法。在soc的技術(shù)趨勢(shì)下，已有一些廠商將立體聲數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(dac)或編譯碼器(codec)整合到特定功能的ic當(dāng)中。不過(guò)，有些功能適合整合在一起，有些則可能得到反效果。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)廠商將電源管理和音頻處理功能整合在一起時(shí)，通常得在音質(zhì)的部分做妥協(xié)，因?yàn)殡娫捶€(wěn)壓器(regulator) 所產(chǎn)生的噪音會(huì)干擾到附近的音頻路徑;若將音頻功能整合到數(shù)字ic中也有困難，因?yàn)閷?duì)于hi-fi的組件來(lái)說(shuō)，需要用到0.35mm的工藝來(lái)讓混合訊號(hào)處理得到最佳化效能，但目前數(shù)字邏輯方面的應(yīng)用已朝0.18mm以下的更高工藝發(fā)展。以上述兩種整合性的芯片策略來(lái)說(shuō)，要讓兩

16、種不同的電路同時(shí)存在于一個(gè)芯片當(dāng)中，其最終的芯片尺寸可能也會(huì)大到難以接受。此外，揚(yáng)聲器功率放大機(jī)(loudspeaker amplifier)特別難被整合。它所產(chǎn)生的熱是一個(gè)問(wèn)題，需要做散熱處理，因此往往需要另一顆獨(dú)立的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)ic。還有一個(gè)整合上的常見(jiàn)問(wèn)題，也就是為了讓ic盡量做到最小化，可能會(huì)產(chǎn)生模擬輸入或輸出接腳數(shù)目不足的問(wèn)題。專(zhuān)屬的音頻ic可避免這些問(wèn)題，而音頻整合有好幾種方法可以達(dá)成。共享adc和dac能減少硬件成本，但卻不能同時(shí)播放或錄制兩種音頻流格式。為個(gè)別功能安排專(zhuān)用的轉(zhuǎn)換器(converter)可以解決這個(gè)問(wèn)題，不過(guò)，此一作法會(huì)增加芯片成本。折中的作法是只共享adc的部分，

17、但有獨(dú)立的dac，這樣做的話，當(dāng)電話通信在進(jìn)行時(shí)，也同時(shí)可以播放其它音頻(如播放另一通電話的鈴聲，或播放音樂(lè))，但在通信時(shí)不能同時(shí)進(jìn)行錄音。adc的耗電可以通過(guò)關(guān)掉一種功能，而以較低取樣速率的方式來(lái)加以控制。以下針對(duì)音頻系統(tǒng)中的幾個(gè)重要組成進(jìn)行規(guī)劃上的分析：頻率與接口共享通信與應(yīng)用子系統(tǒng)的內(nèi)部電路雖然可行，但對(duì)于接口來(lái)說(shuō)并非如此，因?yàn)椴煌囊纛l應(yīng)用得在獨(dú)立的頻率區(qū)域中以自己的頻率來(lái)運(yùn)作。只要情況仍是如此，整合性智能型手機(jī)的codec就需要同時(shí)有pcm接口和獨(dú)立的i2s或ac97連結(jié)接口。在非移動(dòng)性的設(shè)備(如pc)中，音頻頻率通常由一個(gè)石英振蕩器(crystal oscillator)來(lái)產(chǎn)生，但

18、在智能型手機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了避免額外的耗電、板面空間和頻率芯片的成本，設(shè)計(jì)者偏向于將hi-fi音頻所需的頻率功能從既有的頻率中獨(dú)立出來(lái)。由于低耗電、低噪音的鎖相回路(pll)能被以相對(duì)較低成本整合到混合訊號(hào)芯片當(dāng)中，所以今日芯片廠商的作法是將一顆或兩顆pll 整合到他們的智能型手機(jī)codec中。麥克風(fēng)在智能型手機(jī)中最難的設(shè)計(jì)議題，往往與麥克風(fēng)(mic)有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)至少有兩個(gè)麥克風(fēng)需要考慮：一是內(nèi)建的內(nèi)部麥克風(fēng)和插入耳機(jī)(headset)的外部麥克風(fēng)。此外，可能還會(huì)有用于噪音消除(noise cancellation)或立體聲錄音的額外內(nèi)部麥克風(fēng)，以及車(chē)用免提功能所需要的另一個(gè)外部麥克風(fēng)。除了講

19、話外，這些麥克風(fēng)也能透過(guò)應(yīng)用處理器的控制來(lái)錄制語(yǔ)音短訊或視頻短片中的音效。若要由音頻codec芯片來(lái)涵蓋各種切換功能，此芯片的電路需要做好妥善的設(shè)計(jì)。除了錄音功能，codec也應(yīng)提供側(cè)音(side tone)的功能，這樣一來(lái)耳機(jī)用戶也能聽(tīng)到自己的聲音。插入偵測(cè)功能則能提供無(wú)縫的切換功能，也就是當(dāng)耳機(jī)插入或拔出時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換使用內(nèi)部或外部的耳機(jī)。人聲(acoustic)的噪噪音消除是另一個(gè)問(wèn)題，它需要用到兩個(gè)麥克風(fēng)，一個(gè)同時(shí)接收講話的聲音和背景噪音，另一個(gè)則只接收背景噪音。模擬的作法往往不足夠，因此需要透過(guò)數(shù)字信號(hào)處理來(lái)加強(qiáng)，而音頻codec需達(dá)成兩個(gè)麥克風(fēng)訊號(hào)的數(shù)字化任務(wù)。另一個(gè)問(wèn)題是室外

20、風(fēng)聲噪印的問(wèn)題，它的頻率通常低于200hz，因此透過(guò)高通(high-pass)濾波器就能處理掉，但這樣一來(lái)，在室內(nèi)錄音時(shí)就少了低頻部分的聲音。對(duì)于兩用的麥克風(fēng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)濾器應(yīng)該是可選用的，但很多的音頻adc中都已內(nèi)建了這顆high-pass濾波器，因此，手機(jī)廠商應(yīng)針對(duì)需求選擇合用的解決方案。外接耳機(jī)手機(jī)外接耳機(jī)(headset/headphone)的使用也需要特殊的模擬電路，也就是當(dāng)耳機(jī)插入時(shí)，音頻輸出信號(hào)就能繞徑到耳機(jī)上頭。雖然整合機(jī)械性開(kāi)關(guān)的插槽(socket)能夠滿足此要求，但它的尺寸過(guò)大且昂貴;此外，揚(yáng)聲器的音量大小可能也不適合這個(gè)耳機(jī)。為內(nèi)部與外部音頻提供獨(dú)立的音量控制可以解決此問(wèn)

21、題，而且也能使用較簡(jiǎn)單的插槽設(shè)計(jì)。這一外接耳機(jī)是否具有麥克風(fēng)也需要被偵測(cè)出來(lái)，這可以通過(guò)是否感測(cè)到偏流(bias current)來(lái)分辨，如果沒(méi)有電流流動(dòng)，那就表示沒(méi)有麥克風(fēng)被插入。智能型手機(jī)的音頻codec中應(yīng)加入這一電流傳感器，進(jìn)而能因應(yīng)不同情況達(dá)成音頻輸入輸出的處理。揚(yáng)聲器智能電話在先后增加了多音調(diào)振鈴、mp3播放及fm廣播等功能后，其播音系統(tǒng)也朝向立體聲揚(yáng)聲器來(lái)發(fā)展。在手機(jī)揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)上，主要的問(wèn)題是配置架構(gòu)、功率與耗電性的考慮。若要支持立體聲，手機(jī)需要有兩個(gè)外部揚(yáng)聲器，但由于手機(jī)體積太小，這兩個(gè)揚(yáng)聲器的位置難以拉開(kāi)，所以立體聲的效果不易展現(xiàn)，這時(shí)就需要采用特殊的3d效果處理。若是要支持免持聽(tīng)筒的功能，那就需要連結(jié)到另一個(gè)較大的揚(yáng)聲器上。為個(gè)別揚(yáng)聲器提供專(zhuān)屬的模擬輸出是最好的方式，但電源管理上必須有相應(yīng)改變。由于揚(yáng)聲器功率放大器會(huì)用掉大量的供電，當(dāng)它們不使用時(shí)關(guān)掉電源是很重要的。智能型手機(jī)的音頻codec能提供一些電源管理功能，為個(gè)別揚(yáng)聲器的輸出做好開(kāi)關(guān)管理，這樣一來(lái)能避免不需要的電源消耗。此外，系統(tǒng)電源管理方案中的電壓穩(wěn)壓器通常無(wú)法為揚(yáng)聲器提供達(dá)到最大音量所需的功率，因此codec芯片廠商采