智能手機音頻系統的整合與設計趨勢

當手機遇上可攜式電子，兩個不同的音訊世界產生了沖突。這么多年過去，模擬工程師仍舊竭力打造可以完美處理語音、音樂播放和鈴聲的解決方案。本文將檢視當前的技術進展，并探討智能型手機的音訊整合趨勢。

　　曾經有一段時間，數字音訊很清楚地被分為Hi-Fi和通話兩個部分。Hi-Fi一般意謂立體和16位分辨率，取樣速率為44.1kHz，這是原始的 Compact Disc規格。另一方面，電話通話則是單聲道及低分辨率，一般是以8位和8kHZ數字化而成。不同型態的混合訊號IC各自適合不同的應用。Hi-Fi音訊編譯碼IC很快就采用多位sigma-delta技術去改善音質，同時間電話仍然是非常簡單，低數據速率及低成本變換器限制了改善音質的可能性。這兩種編譯碼芯片擁有不同的接口。市場上已出現一些針對Hi-Fi立體音響的數據格式，其中最為普及的是I2S (Inter-IC Sound)。電話語音編譯碼IC則通常是采用脈沖編碼調變(PCM)界面。嚴格來說，脈沖編碼調變已包含今日所使用的大部分數字格式，包括I2S；它的原始目的便是要區別數字編碼和像是頻率調變的模擬技術。然而，在數字通話方面，脈沖編碼調變通常是指一種特定、單聲道的數據格式，無法兼容于Hi-Fi立體音訊。

　　計算機音訊的崛起則造就了另一種接口的興起。雖然其音質要求和存在已久的消費性音訊市場頗為類似，然而，計算機需播放以不同取樣速率播放的音訊檔案(特別是8kHz、44.1kHz和48kHz)。以軟件轉換取樣速率是可行的，但是成本卻太昂貴。因此最被廣泛采用的AC’97 標準便將此任務交給編譯碼芯片，造就以專屬硬件執行的效率會高出許多。AC’97實際上已成為計算機音訊的產業標準。

　　在一開始，可攜式系統仍一本初衷：隨身CD、迷你光盤及MP3播放器仍采用I2S數字模擬轉換器(DAC)，行動電話使用脈沖編碼調變，而支持音訊功能的PDA則通常具有和桌上型計算機相同的AC’97編譯碼。因此，毫無意外地，第一代的復合系統通常會包含在裝置內部比鄰分布的電話和PDA電路、具有由通訊處理器控制的脈沖編碼調變音訊編譯碼芯片，以及和應用處理器連接的Hi-Fi立體(AC’97或I2S)編譯碼芯片。然而，此編譯碼芯片的設計并未將這兩個音訊子系統的互連性考慮在內，或者僅有極少的考慮。針對此，通常會將離散式的固態開關安插至模擬訊號路徑中，便會造成噪聲及諧波失真，并且占據板子空間。

圖1. 第一代智能型手機具有兩個獨立的音訊子系統(語音和Hi-Fi)。除了這兩個編譯碼芯片外，還需要其它的離散組件以進行訊號交換與混合。

　　整合趨勢

　　很明顯的，一個適合此應用的解決方案是備受期待?！赶到y單芯片」(SoC)的想法已引導一些業者將立體數字模擬轉換器或編譯碼芯片和其它大型IC整合在一起。然而，此方法并未產出媲美專屬音訊芯片的音質。電源管理和音訊IC的結合似乎犧牲了音質，因為整流器通常會將噪聲注入鄰近的音訊訊號電路中。將音訊整合至數字IC同樣也會面臨相同問題，因為真正的Hi-Fi組件通常需要以0.35微米制程針對混合訊號應用進行最佳化，然而數字邏輯已微縮至0.18微米或更小。對共存于同一芯片的這兩種電路而言，若非模擬電路的效能必需有所犧牲，要不然就是整個IC會被建造于更大的幾何形狀上，芯片尺寸將擴大到無法被接受的程度。

　　揚聲器放大器特別難以整合，因為它們會產生大量的熱，需要散熱處理。許多整合的芯片缺乏此功能，因此便不能被認為是真正的「系統單芯片」(SoC)解決方案，因為還需要一個外部的揚聲器驅動IC。另一個常見的問題是模擬輸入或輸出不夠充足，這是因為總是希望IC能越小越好。針對接腳配置在周圍的正方體封裝，例如QFN(方形扁平封裝，無導線)封裝體，會將每一邊的長度延長約1mm以容納一些額外的接腳，而如果此IC最初的體積就很大的話，這樣的增加則將導致占板空間暴增。例如，從5×5mm增加至6×6mm，則占板面積會增加11mm2，而若最初為10×10mm的封裝，則占板面積會增加至21mm2。

圖2. 整合型智能型手機編譯碼芯片的方塊圖，其擁有一顆音訊DAC、一顆立體Hi-Fi DAC和兩顆ADC，被導引至脈沖編碼調變或是I2S接口。

　　專屬的音訊IC則能避免這些問題。藉由整合其它混合訊號功能，例如觸控數字化以及語音和Hi-Fi編譯碼功能的整合，芯片總數量可以減少。在此，音訊編譯碼被整合至電話芯片組中，因此比較適合的應該是具有額外模擬輸入、輸出和內部混合的H-Fi編譯碼芯片。然而，即使是在此情況中，仍需用到兩個編譯碼芯片，以容納無線藍牙耳機，因為許多藍牙編譯碼IC皆具有脈沖編碼調變接口。

　音訊整合的方式有很多種。分享模擬數字轉換器和數字模擬轉換器可降低硬件成本，但是卻會導致無法同時播放或錄制兩個音訊串流。針對每一功能提供專屬的轉換器能克服此問題并延長電池壽命，因為電話等級的音訊區塊能以低于Hi-Fi功能的功耗設計。然而，這樣的解決方案會增加硅芯片的成本。一般妥協的方法是采用獨立的數字模擬轉換器，但共同分享則模擬數字轉換器。如此即使在通話中依然可以播放音訊(例如：在通化中同時聽到第二通來電的鈴聲或是音樂)，但是在通話時無法錄音至應用處理器，這樣的限制是可被接受的，因為在這樣的使用情境中，使用者不可能看到這么多的價值。藉由停止通道之一的用電，且其它通道以較低的取樣速率運作，可進一步降低模擬數字轉換器的功耗。

圖3：僅需使用三個輸入接腳和一個麥克風偏壓接腳便能讓兩個麥克風都連至編譯碼芯片。

　　頻率和界面

　　通訊和應用電路之間的內部電路區塊是可以分享的，但是接口就沒辦法了。這是因為每一個音訊串流都是在獨立頻率電路上運作，且擁有自己的頻率頻率。只要是這種情況，整合的智能型手機編譯碼芯片就同時需要脈沖編碼調變接口和一個獨立的I2S或AC’97連結。

　　在固定系統中，音訊頻率通常是由石英振蕩器產生。例如，AC’97便指明符合規定的編譯碼芯片具有一個芯片上的振蕩器，其連結至一個外部的 24.576MHz(512 × 48kHz)石英，I2S則使用高出數倍的取樣速率，通常其取樣速率為256。然而，在智能型手機的設計中，考慮到額外的功耗、占板空間及頻率石英體的成本，因此設計師多從已出現在板子上的其它頻率取得Hi-Fi音訊頻率。雖然此額外的頻率部分需由鎖相回路(PLL)實現，但是此解決方案仍較外加的石英振蕩器受到歡迎，因為低功率、低噪聲的鎖相回路能以極低的價格被整合至混合訊號IC中。相同的情況也適用于其它子系統可能需要的頻率，例如支持視訊的 MPEG譯碼器的標準27MHz頻率。針對I2S，不同的取樣速率需要不同的頻率頻率，藉由簡單地將word clock LPCLK(其頻率為取樣速率)乘以256或任何其它固定數字，鎖相回路能在任何情況中提供正確的頻率。因此組件供應者也傾向將一或兩個鎖相回路整合至他們智能型手機的編譯碼芯片中。

圖4. 典型立體雙耳式耳機的內部布線，以及插座插入偵測、麥克風和鉤鍵開關偵測的機制。

　　麥克風

　　在智能型手機中，許多最困難的設計問題都和麥克風有關。其中通常必需考慮至少兩個麥克風：內建(內部)麥克風和做為耳機一部份的外接麥克風。其它更多內部麥克風的存在可能是為了要消除噪聲或是立體聲錄音，而免持式汽車套件則可能會連接外接麥克風。除了電話通話外，這些麥克風也能在應用處理器的控制下被用來錄制語音備忘，或甚至是視訊片段的音軌。

　　為完全避免芯片外的切換，智能型手機編譯碼芯片必需提供充足的輸入，最好是能有可獨立調整的增益及彈性的路徑，以涵括所有的使用情境。除錄音之外，也應提供「側音」功能。這便為模擬輸出增加了一個微弱版本的麥克風訊號，因此使用耳機撥打電話的人可以聽見自己的聲音。當耳機插入或未連結時，插入偵測可以實現內部至外接麥克風間的無縫切換。

　　噪聲是另一個普遍的考慮。電路的高頻和數字部分會產生干擾，此干擾的產生是來自PCB線路帶有麥克風訊號所致，且此干擾會由芯片上前置放大器放大。為避免此問題，謹慎的PCB布局是關鍵重要的因素，差異化的麥克風輸入是另一個有效的對策。然而，不同的輸入有它們自己的布局需求：兩組PCB線路必需以平行或是相鄰的方式運作，所以其中一組線路拾起的任何噪聲，也會出現在另一組線路中，因此必需在麥克風放大器中加以消除。

　　降噪是另一個獨立的問題，需要兩個麥克風解決；一個拾起帶有背景噪聲的喇叭語音，另一個則僅拾起有背景噪聲。若只在模擬電路進行簡單的消除，通常無法產生令人滿意的結果，這是因為根據噪聲發出的方向，這兩種噪聲訊號的相位和幅度都會有所不同。在此需要進行數字訊號處理。然而，編譯碼芯片必需藉由數字化這兩種麥克風訊號來執行此任務。

　　另一種噪音發生于在戶外使用時，亦即風切噪音，其大部分被限制在200Hz的頻率以下，因此能以高通濾波器消除部分的噪音。最簡單的解決方案便是在麥克風輸入采用較小的耦合電容器。然而，這將讓麥克風無法被用在室內的音樂錄音，造成沒有低音部分。因此針對雙用途的麥克風而言，此濾波非必要。附帶一提，大部分的音訊模擬數字轉換器已具備內建高通濾波器，以消除來自數字訊號的DC偏壓。IC業者已針對行動應用將此特性客制化，其方法為讓角頻(corner frequency)成為一種選擇，一些Hz為提供Hi-Fi之用途，另一些介于100Hz和200Hz的頻率則是針對支持風切濾波的語音。理所當然地，模擬和數字濾波也能結合以創造更高階的濾波特性。

頭戴式耳機(Headphone)和雙耳式耳機(Headset)

　　處理行動電話的雙耳式耳機也需要特別的模擬電路。最顯而易見的首要任務便是在雙耳式耳機插入時，要重新規劃來自單耳耳機或其它揚聲器輸出訊號的路徑。雖然具有整合型機械開關的插口能實現此目的，但是它們通常笨重又昂貴。再者，使用于揚聲器的訊號層級可能并不適用于雙耳式耳機。針對單耳耳機、揚聲器和雙耳式耳機提供獨立模擬輸出，具有獨立的音量控制便能解決此問題，并可允許采用較簡單的插口。雖然仍需要一個機械式開關，但是只要單柱、單擲型態，一端連至接地接腳的開關就已足夠了，所以此插口僅需一個外部接腳。然而，在多媒體電話中，此開關的啟動并不一定就是因為雙耳式耳機的插入；插在標準尺寸插口中的，可能只是沒有包含麥克風在內的頭戴式耳機。因此，麥克風的存在與否應分開偵測。對電子式麥克風而言，可以藉由感測麥克風的偏壓電流而實現此目的，若沒有電流流動，則代表沒有麥克風插入。相反地，一個大而不尋常的偏壓電流也是很明顯的：為避免增加其它的接觸至標準頭戴式耳機或雙耳式耳機插座，在雙耳式耳機上用來接收來電的按鈕(所謂的鉤鍵開關)通常會讓麥克風短路。結果，偏壓電流增加，指出此鉤鍵開關已被按壓。藉由在芯片上麥克風偏壓電路中增加一個電流傳感器，智能型手機編譯碼芯片能偵測這兩種情況，并自動針對個別情況采取正確的動作。

　　揚聲器

　　行動電話中的揚聲器數目和輸出功率在最近不斷膨脹。然而在1990年代，單邊耳機才是王道，現代的掀蓋式手機配備了內部和外部喇叭，如此無論手機是打開或是合起，都能播放音樂。支持立體鈴聲需要兩個外部揚聲器，而普遍的免持功能則在小型單耳耳機之外還需要另一個就行動電話標準而言「大型」揚聲器。如同麥克風一般，為每一揚聲器提供專屬的模擬輸出能帶來許多芯片外切換(off-chip switching)所沒有的好處，由于揚聲器放大器會用掉龐大的供應電流，因此在未啟動時降低功耗便成為十分重要的事。行動電話編譯碼芯片提供越來越多的細部電源管理，能個別啟動或關掉每一個輸出，以避免任何沒有必要的電池電力浪費。再者，現有電源管理解決方案中的穩壓器通常無法提供驅動揚聲器音量全開所需的電流。編譯碼芯片供應業者已針對此問題提出因應之道，他們設計讓芯片上揚聲器放大器直接利用電池的電壓運作(一般是鋰離子電池的4.2V)，而非調整過后的供應電壓。一般而言，雖然這種作法并無法節省電力，此揚聲器放大器會消耗原本是由穩壓器消耗的電力，但是卻能除去增加一個穩壓器的需求。

　　鈴聲

　　在過去幾年間，鈴聲的復雜性穩定地增加，從只有連續單音到多音旋律，一直到最后的WAV和MP3音樂片段，幾乎任何聲音都能以立體聲生成。樂器數碼接口 (Musical Instrument Digital InteRFace；MIDI)已成為音樂鈴聲的標準，且有一些業者已開發適用此新應用的低功率MIDI芯片。將此IC整合至音訊子系統需要在編譯碼芯片上增加額外的模擬輸入。此額外的輸入對連接FM radio IC、增加其它功能至多媒體封裝中也很有用。MIDI音調生成當然也能被整合至編譯碼芯片中，然而，一般傾向將自己想要的鈴聲儲存為音訊檔案，并透過現有的Hi-Fi數字模擬轉換器播放出來，因此對于未擁有相關IP硅智財的IC業者而言，此訴求便不具有太大的吸引力。

　　未來的發展

　　所以未來智能型手機音訊的發展會是如何？現今比較受到矚目的數字音訊趨勢包括從立體聲進展至多聲道環繞音響格式，且可能會采用最近發表、用于大部分PC和筆記型計算機中的“Azalia” Intel超傳真音訊(Intel High Definition Audio)標準。就在不久之前，還有不少人嘲笑將立體揚聲器放進行動電話的點子，但是如今的市場實情卻證明他們錯了。同樣地，Azalia的新特性現在也尚無法合理化它那高于AC’97的成本和功耗。I2S和AC’97的爭戰仍在繼續中，有些設計師比較喜歡較不復雜的I2S，另外一些則偏愛AC’97提供的較低接腳數，以及能輕易處理不同的取樣速率。就像現在用于智能型手機中的許多低功耗CPU皆提供雙重標準的音訊接口，以滿足不同陣營的需求，這兩種標準可能會繼續并存。相反地，設計一個支持兩種標準的編譯碼芯片則是困難許多，因為AC’97的VRA(可調速率音訊)需要不同于I2S的頻率技術，以及大量的額外數字電路。

　　將應用和通訊處理器成功整合至單一數字裝置上，并使用單一音訊頻率，將使語音和Hi-Fi音訊接口的結合成為可能，而且之后可能會轉變為過去那種較不復雜的編譯碼芯片。但是就現在而言，IC業者正致力于將其它現有混合訊號組件整合至他們的音訊編譯碼芯片中，包括觸控功能、穩壓器和電源管理。已經準備好的整合型影像解決方案到目前為止仍無法將音訊和和攝影機或視訊功能整合在一起，不過這并非絕對的事實。在此同時，音訊功能不斷增加，例如3D強化、圖形均衡器和動態壓縮等，且音質、功耗和封裝尺寸也有長足的進展。