手机的音效播放设计趋势

图说：TI公司的OMAP平台即是在手机上以DSP为主要诉求的整合式处理器架构。（资料来源：TI）

 

虽然数字音乐的译码并不像一般影片压缩译码般的负杂，对于PC环境上，播放MP3所占用的CPU使用率可能微乎其微，因此PC平台上并没有所谓的硬件辅助数字音乐译码的设计，基本上都是以纯软件的方式来进行音乐格式的译码，但是对于手机等手持式装置来说，虽然手持式装置所采用的嵌入式处理器具备越来越强大的运算能力，有些产品也整合了高效能的DSP处理核心，因此单纯译码对嵌入式处理器来说可能都还算是轻而易举的工作。

 

不过要是牵涉到对音效质量的调整方面，比如说加入音场、分频、EQ调整等功能，这些处理的运算复杂度并不比视讯译码来得单纯，有些甚至还有过之而不及。由于手机上整合的组件多，每一项组件都是功耗来源之一，基本上，中央处理器可以算是除了RF组件以外，最大的功率消耗重点之一，完全采用软件来进行音乐与音效处理的话，处理器本身就得随时处于工作状态而无法进入闲置，即使是利用处理器中整合的DSP来个别处理，万一算法设计的不良，仍有可能牵连到整个手机系统，导致整体的功耗增加，因而减少了手机可用的待机时间。

 

如果采用硬件译码，那么CPU的工作也可明显减轻许多，对于功耗的改善也有明显的效果，甚至连音效后制处理都可以硬件方式实做，如此一来，在功耗的控制上也就更能有效的掌握。如此一来，也就不用担心设计不良的音效译码算法，在取得处理器运算资源时，会因为优先权的关系，造成其它功能使用上的延迟。

 

而若为了成本或者是其它因素，决定要使用纯软件演算来来进行音乐处理的话，那么就必须注意到音乐播放与通讯处理的优先权顺序，避免手机再进行音乐的播放时，会因为通讯部分突如其来的中断而导致音乐播放的终止或跳针现象，由于同一时间可能有不同应用都在所需处理器的资源，采用软件译码方式在设计上的考虑因素会增加许多，而且也不大容易加入音效的后制处理，无法表现出音场或者是不同音乐频谱的动态调整等等进阶音乐播放功能。

 

不过，另外安装特定的专用处理器其实是不得已的处理方式，为了整合性的需求，这些相关的硬件IP几乎都会被整合到SoC组件中。至于利用DSP以软件方式进行虽然也是方法之一，但是考虑到平行处理的复杂度，以及功耗的控制，这样的设计方式需要较高的技术力，相关的译码处理需求才有办法与手机其它功能或组件之间达成协调。

 

影响声音质量的关键

 

图说：手机之中的电路整合性非常高，在音效最佳化设计上难度也随之增加。（资料来源：www.wppltd.demon.co.uk）

 

与一般纯粹多媒体播放装置相较起来，同时搭载无线语音通讯与多媒体影音播放功能的手机系统，在设计上的复杂度可以说是等比级数般的提高，但势之所趋，手机的多媒体播放功能成为消费者选择手机的重要评估功能之一后，不论各种等级的手机都已经加入相关设计，截至目前为止，没有音乐播放功能的手机已经完全从市面上消失，因此，消费者的眼界也随之变的更高，现在比较的不仅是具不具备音乐播放功能而已，而是要从音质、音乐播放控制以及相关的显示能力等等来做比较，我们主要从音质这个方向来看，影响手机播放音乐音质表现的原因不少，但是在手机上，最主要还是干扰问题。

 

由于手机内部整合了RF电路以及相关的数字IC，而为了手机的体积的集缩需求，各项组件之间靠的非常紧密，组件之间将无法保持足够的距离来以隔开干扰源与音效处理组件，因此音乐透过模拟电路输出时，几乎都可以听到程度不等的电子噪音夹杂其中，在某些设计较不良的音乐手机之中，其噪音之大甚至达到让人难以忍受的地步。

 

除了电子组件所产生的噪音以外，另外一个就是音效处理流程本身的问题，一般音效从译码到输出，都必须经过放大器的处理，然而传统放大器设计属于不对称架构，因此无法有效消除噪声。

 

如果运用上下对称设计的放大器架构，讯号接收就有两条线可同时进行，因此在进行接收时会有讯号与噪声同时存在，然而由于讯号上下两条对称，讯号进入上下两条可相减，且噪声值相同，波形相反，因此可相互抵消。手机通讯噪声是个普遍存在的现象，主要原因在于手机与GSM基地台每秒进行两百多次沟通，通讯过程中，可能随所在地的收讯状况不同，手机会动态进行功率的调整，以达到较佳的收讯质量，但是在这过程中将导致电源不稳定，电流波形周期性的跳动，连带造成音效噪声的产生。

 

隔绝噪音的设计方式

 

■以差分方式连接麦克风，如此可以较有效消除噪声源在整合麦克风讯号的电路板走线中，所感应出的电流噪声。在实做上，对于正负讯号走线对称布置并相互接近时（每条走线中感应出的噪声相同）效果表现最好。这个技巧对于电容式麦克风（输出幅度低，对特定量的噪讯比偏小）更是实用。

 

■对语音讯号和音源讯号的处理要使用分离的A/D、D/A转换器和讯号处理电路组成的双重音效电路。这种方式可在节省语音处理功耗的同时，更进一步的保证音效本身的质量。如果对这两类讯号使用单个音效路径将需要做出不希望的折衷。另外，双音效IC也通常具有两个单独的音效接口，可以不必进行采样频率转换。而如果非必要，不要使用软件来进行音效串流的采样频率转换，使用具备硬件转换的硬件译码器会是比较理想的方式。

 

■使用数字讯号增强技术。比如，在录音路径上加入陷波滤波器以消除在GSM电话中，由RF功率放大器产生的频率为217Hz的突发噪音（burst noise）或其它窄频噪音；在播放路径上，则是使用高频滤波器来抑制风切噪音，以及和使用动态尖峰压缩技术来提高小型扩音器的可感测音量。实现这些功能最高效率方法通常是使用专用硬件（如音效IC中的专用硬件）。

 

■保证电源洁净，电源噪声将对所有模拟电路产生影响且常常是导致音效性能不佳的根本原因，因此在设计上，就要避免采用共享的电源线路，避免电源的噪声会渗透的模拟电路中，并且要把合适的低ESR电容放在手机音效IC的电源接脚附近，这可以使交流噪声短路，并且可以降低电源突波的发生状况，

 

■在印刷电路板布局中，尽量将模拟电路和数字电路隔离，并确保模拟讯号布线远离数字或功率开关布线。 而且使用硬件中断来侦测是否有耳机等周边连接，尽量降低处理器的负载。

 

音效放大器的使用

 

MP3播放器、PMP和手机等行动产品都面临延长电池使用时间的挑战。在这方面，由于比AB类放大器具备更高的效率，D类放大器备受瞩目，并且被广为采用，而无滤波器D类放大器的出现，更是为工程师在设计行动产品时提供了更大的灵活性。

 

如今，MP3播放器、行动媒体播放器（PMP）或手机等许多手持式产品，可能也都同时具备了MP3或MP4播放／录音功能。不论采用的是硬件或软件编译码，功耗都是个持续存在问题。因此，这些行动多媒体播放产品所采用的电池，也普遍遇到使用时间缩短的难题。某些情况下，用户会用内建扬声器来进行电影或音乐的播放。这样又额外给系统电池增添了一笔负担。尽管电池容量透过使用新技术－从镍铬（Ni-Cad）电池到镍氢（Ni-MH）电池，再到锂离子（Li-ion）电池而得到改进，，未来甚至燃料电池也要进入行动应用中，但即使是采用锂离子电池，电池寿命依然是所有行动产品最大的使用限制之一，燃料电池要应用到行动产品时仍有一段不短的时间，短期内仍不可得见，因此在硬件组件上最更有效率的功耗处理，会是更为实际的方式。

 

较早期的A/B类放大器，其主要特点是：晶体管的导通时间稍大于工作半周期，因此必须用两管推挽工作，可以避免交错失真。交错失真较大，则是可以抵消偶次谐波失真。相较起传统的A类放大器以及B类放大器，A/B类放大器有效率较高，晶体管功耗较小的特点。理论上，A/B类放大器可以达到78.5％的功率最大值，但实际上功率的最大值在70％左右，这可能是受到输出级拓扑和输出级斜线的影响，在一般典型的聆听条件之下（全功率的30％左右），功率放大器本身的效率为35％左右。

 

图说：D类放大器与A/B类放大器的功率与温度比较。（资料来源：TI）

 

至于在D类放大器的部分，由于此类放大器将外部输入电阻整合至芯片内部，使得阻抗搭配表现可更为完善，并能够有效缩小PCB板面积，进而能够降低整体系统成本。相较于AB类放大器由于功率耗损大，造成转换时的温度高，D类放大器则是因为效率高，芯片所产生的废热远低于A/B类放大器，除了温度低，功耗更是明显优于A/B类放大器，因此也十分符合对于体积与功耗斤斤计较的手机设计。另外，功率放大器所消耗电力远大于电源管理，因此必须独立于电源管理自成区块，并可直接从锂电池电力供应音效处理系统需求，而不须经由任何的电源管理组件。此外，D类放大器具备小封装、低耗电等优异的特性，如行动电子产品就可选择小封装D类放大器。

 

图说：D类放大器的效率与输出功率。（资料来源：TI）

 

为何D类放大器会在功耗表现上与音效转换上的效率较高呢？这主要是从这类放大器的工作原理来达成，D类放大器与开关模式电源的工作方式类似，其中输出MOSFET可能是完全启动（饱和）或完全关闭（切断）的。其效果在于减小晶体管的功耗，并增加放大器的效率。但这只是理想状态，一般实务上，开关时间和非交换时间中总会有程度不等的折损（开关损耗和传导损失）。

 

出现开关时间中的损耗是由于FET的上升时间和下降时间大于零。出现这种情况有几个原因。第一，输出晶体管不能进行瞬时交换。从漏极到源极的通道要求一段特定的形成时间。第二，晶体管栅源电容和寄生电阻的痕迹形成RC时间常量，如此也增加了上升和下降时间。

 

图说：D类放大器与PWM技术的结合设计。（资料来源：台湾大学）

 

而非开关时间中的功耗，则是源于每个FET 的RDS（on）和晶体管中的电流导致的。但总体而言，D类放大器的损失是最小的，正是由于该器件的交换性质，才使放大器实现较高的实时放大效率。其开关技术是脉冲宽度调制 （PWM），它可比较输入模拟讯号和高频率三角波形（通常为250 kHz），以产生输出波形。PWM波形只在转换时才会耗电，耗电平均时间将会大幅缩短，因此可以做为省电的最佳利器。虽然放大器组件厂商皆可运用PWM调变技术，但关键在于降低电磁干扰（EMI）并且要将音质达到最佳化。传统扬声器线路讯号变化具有两端接点，运作时两端线路也会随着变化，因此会产生EMI问题。

 

不过即便D类放大器具备较优越功耗表现，转换效率可高达85％以上，但其放大质量仍要略逊于A/B类放大器，而且即使已经大量普及生产，其采购成本仍要高出A/B类放大器近三成之多，因此目前仍有不少厂商仍然持续在采用A/B类放大器。

 

音效放大器的重要功能指针

 

■电源纹波抑制比（PSRR）：电源纹波抑制比（power supply rejection rate）是音效放大器的输入测量电源电压的偏差，耦合到一个模拟电路输出讯号的比值。PSRR反映了音效功率放大器对电源的纹波要求，PSRR值越大，就代表音效放大器输出音质就越好。

 

■总谐波失真加噪声（THD＋N）：总谐波失真(total harmonic distortion)是指一个模拟电路处理讯号后，在一个特定频率范围内所引入的总失真量。噪音（noise）是指通常不需要的讯号。有时是由于由于热或者其它物理条件产生的在线路板上的其它电气行为（比如说干扰）。从THD＋N的定义中不难看出，总谐波失真和噪音越小越好。

 

■讯噪比（SNR）：通常指一个模拟讯号中有用讯号和噪声之间的比值。

 

■增益（AO）：对音效功率放大器来说增益通常指放大器输出功率和输入功率之间的比值。增益越大说明放大器的效率越高。

 

■最大输出功率（POCM）：输出功率反映了一个音效功率放大器的负载能力，通常音效放大器厂家会提供产品的在工作电压一定条件和额定负载下的的最大输出功率。

 

■关机电流（Shutdown current）和输出偏移电压（Output Offset Voltage）：关机电流越小，说明在待机条件下的放大器功耗也越小。输出偏移电压小则是有利于电池寿命的延长。

 

功率放大器现况

 

前手机设计中，音效放大器有AB类放大器，也有D类，主要端视手机厂商的需求而定，而相关组件的主要生产厂商有美国国家半导体公司（NS）、美国德州仪器（TI）、意法半导体公司（ST）、美国安森美公司（ONSEMI）等等，所提供的产品规格以及适用范围也都各有不同。

 

图说：具备立体声效果的手机扬声器。（资料来源：TOSHIBA）

 

在手机印刷电路板设计中，放大器与喇叭距离有限，相差距离无法拉长，即使导入立体声功能，由于放置距离太短，因此也无法突显立体声效果。目前许多手机设计厂商则是运用立体声音效仿真音场，将内建的扬声器距离拉开，或是利用不同的角度设计，藉以达到立体声效果。德州仪器OMAP手机处理器平台也具备立体声效果功能，编译码器也可导入立体声功能，放大器只须忠实呈现手机系统所传送立体声音效即可。