隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備的高質(zhì)量音頻

推動(dòng)手機(jī)和平板電腦音頻發(fā)展的重要交叉因素有兩個(gè)，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(gè)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(tái)。因此，原始設(shè)備制造商不會(huì)像在規(guī)定和/或設(shè)計(jì)芯片組時(shí)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(dòng)用戶體驗(yàn)，包括提供隨時(shí)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(huì)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(shì)和創(chuàng)新手段。

手機(jī)公司利用商用芯片組時(shí)，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(duì)于聲音來說，在不久之前，手機(jī)用戶對(duì)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(cuò)。但是，隨著市場(chǎng)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(shí)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(gè)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(dòng)平臺(tái)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(jiǎn)單介紹，以回顧幾個(gè)重要的問題、趨勢(shì)和解決方案。

1.動(dòng)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(dòng)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(huì)（AES）為音頻工程衡量創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)?？傊C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(cè)量時(shí)的失真水平一定時(shí)，輸出功率才有意義。

圖1 音頻產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)范圍

圖1比較了從CD到專業(yè)音頻等不同音頻設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍。手機(jī)和平板電腦音頻性能的推動(dòng)力是趕超MP3播放器的動(dòng)態(tài)范圍（約100 dB），而如今的手機(jī)和平板電腦市場(chǎng)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(dòng)平臺(tái)支持幾個(gè)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(gè)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(dòng)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(gè)戰(zhàn)場(chǎng)集中，DSP回聲消除、3D空間和其它音頻功能利用多個(gè)麥克風(fēng)為處理提供輸入。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是需要至少兩個(gè)麥克風(fēng)，是為了將語音信號(hào)與背景噪聲分開。一個(gè)麥克風(fēng)聽語音和背景噪聲，另一個(gè)僅聽背景噪聲。DSP/編解碼系統(tǒng)然后收到那些信號(hào)，減除噪聲，以提供更清晰的語音信號(hào)。

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(dòng)原始設(shè)備制造商的推動(dòng)，因?yàn)槠鋽?shù)字痕跡對(duì)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(shí)，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(dòng)應(yīng)用程序中日漸重要，因?yàn)橐苿?dòng)操作很自然會(huì)導(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(shí)，內(nèi)外部麥克風(fēng)之間的轉(zhuǎn)換是噗噗聲的另一個(gè)來源。這可通過提供插入檢測(cè)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(duì)于不具有隔直電容的音頻驅(qū)動(dòng)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(huì)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(duì)移動(dòng)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(gè)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(dòng)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(huì)密切注意到揚(yáng)聲器過度驅(qū)動(dòng)時(shí)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(huì)產(chǎn)生巨大聲響。需要接近一條微線。一種方法是通過動(dòng)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(hào)水平最大化時(shí)防止失真。這就像以前進(jìn)行模擬錄音時(shí)，你可以邊觀察錄音機(jī)VU表（圖3），邊手動(dòng)調(diào)整輸入音量，以使指針在響亮通路時(shí)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。

圖2 緩慢打開/關(guān)閉時(shí)間

這字面意思即為手動(dòng)動(dòng)態(tài)范圍壓縮。如今，這可以通過集成電路自動(dòng)完成，監(jiān)控信號(hào)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(shí)，損壞風(fēng)險(xiǎn)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(huì)出現(xiàn)的一個(gè)最危險(xiǎn)的現(xiàn)象是消波現(xiàn)象。放大器驅(qū)動(dòng)超過揚(yáng)聲器限制時(shí)，消波就會(huì)發(fā)生，這會(huì)使信號(hào)看起來越來越像一個(gè)方波，而不是一般的音頻信號(hào)。使用術(shù)語“消波”是因?yàn)槠渖喜靠雌饋硐髌搅耍▓D4）。

消波對(duì)揚(yáng)聲器來說很危險(xiǎn)的原因是，信號(hào)開始削平時(shí)，更多的高次諧波就會(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的揚(yáng)聲器保護(hù)方案可以利用放大器本身的小信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)分析。所有類型的揚(yáng)聲器保護(hù)，無論是主動(dòng)的還是被動(dòng)的，都可以使移動(dòng)平臺(tái)制造商更加簡(jiǎn)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(dòng)音頻放大器目前提供噪聲門限功能。當(dāng)信號(hào)低于指定水平時(shí)，噪聲門限會(huì)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(duì)于音樂來說，噪聲門限功能對(duì)語音更有用。根據(jù)設(shè)計(jì)，有時(shí)會(huì)運(yùn)用介入和衰減參數(shù)控制并設(shè)置噪聲門限。

圖4 消波信號(hào) 圖5 噪聲門限

6.均衡化

均衡器僅是一套運(yùn)用于整個(gè)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(dòng)平臺(tái)。均衡器可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者定制輸出信號(hào)，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(gè)相似的案例；但是相對(duì)于房間，移動(dòng)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(zhēng)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(duì)移動(dòng)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(chǎng)無形之手已經(jīng)權(quán)衡了利弊，似乎D類對(duì)揚(yáng)聲器放大器來說更可接受，至少在目前是如此的。對(duì)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(shí)也會(huì)用到。

D類的趨勢(shì)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(huì)減少。回顧一下，方波越完美（即越方），就會(huì)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(huì)消耗更多的功率。同時(shí)，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(shí)是故意為之。因此，在決定什么可接受時(shí)，需要進(jìn)行權(quán)衡。我們可再一次見識(shí)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(dòng)音頻的一個(gè)重要趨勢(shì)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(gè)很好的例子是飛兆FAB3103（圖6）。

圖6 D類升壓揚(yáng)聲器放大器架構(gòu)

添加直流/直流升壓轉(zhuǎn)換器對(duì)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(dòng)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(shì)。

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(zhǎng)，因?yàn)橐苿?dòng)平臺(tái)制造商稱他們希望輸出的聲音盡量大。更高的輸出驅(qū)動(dòng)，當(dāng)然意味著更多的功率消耗，這并不是移動(dòng)平臺(tái)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(dòng)音頻進(jìn)步的新領(lǐng)域是平板膜揚(yáng)聲器，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(dòng)音樂分流將使注冊(cè)者數(shù)量從2011年的600萬增加至2016年的1.6億，綜合年增長(zhǎng)率高達(dá)95%.隨著音頻分流的迅速增長(zhǎng)，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(shí)隨地的移動(dòng)音頻體驗(yàn)。