基于DSP的混合信號解決方案解決高級音頻處理難題

從20世紀70年代產生構想以來，特別是在過去十年間，數據信號處理(DSP)在媒體應用激增的推動下，已經成為了一項耳熟能詳的技術。從用于軍事的語音和圖像處理開始，這項技術首先發展進入音頻和視頻的應用環境，隨即又進入了更加主流的電子領域。

　　今天，設計師們正面臨著如下一系列信號處理方面的挑戰：要求同時具備先進的功能性、便攜性和低耗能性的應用，其要求不斷增加。音頻領域是個典型應用：從專業耳機到電子聽診器和遙感器，新的應用不斷出現，這就要求工程師利用電池供電，以相對較低的成本和小型化設計實現音頻壓縮和錄音、聲音管理、回波消除和言語處理。

　　但是應用的便攜性增加了這些挑戰的難度：低能耗不僅僅要求提高電池壽命，還要求降低電池的尺寸大小和重量。尺寸限制還要求組件數量越少越好，而設備的復雜性則不斷隨著市場要求產品所具特色的增加而增加。最后，市場的快速變化向設計師們施壓，他們必須比以前更加迅速地完成項目，并盡快將他們的想法轉化成銷售額。因此，IP復用或某些形式的可編程性至關重要。

　　有充分證據證明，實現信號處理功能集成的驅動力也對傳統上模擬和數字電子技術之間的分離造成了沖擊，使得混合信號的IC設計更加普遍。對于芯片設計師來說，這本身就困難重重：例如，他們需要設計具備多重地和電源的組件，并確保模擬和數字兩部分之間的充分隔離，因為其中一部分可能干擾到另一部分。

　　盡管存在這些固有的難題，系統設計師的需求已經使模擬和數字技術集成于芯片上變得不可避免。產業從許多不同的方向解決了這個問題：線性電路的制造商已經開始向他們的設備添加數字功能；同時可編程邏輯技術的供應商也已經嘗試集成模擬功能。但是，最重要和最成功的事情可能是，微處理器、DSP以及DSP核心的制造商一直努力在芯片上集成更多外圍功能。今天，具有真正專門知識和處理技術的設備供應商可以提供具備ADC、DAC、顯示驅動器、電源管理、集成放大器以及許多在特殊應用中普遍使用的外圍支持功能的單芯片信號處理解決方案。

　　單芯片音頻處理解決方案

　　圖1展示了由AMI半導體公司開發的經優化的混合信號片上系統音頻處理解決方案的示意圖。這款被稱為BelaSigna? 250的芯片提供了一個極好的例子，證明了當前使用最新的混合信號半導體處理技術而可能達到的集成水平。

　　該設備以將非同尋常的功率效率與高性能有機結合的平行處理架構為基礎，構成了一個完整的音頻解決方案，包括ADC與DAC、濾波器、放大器和電源管理電路。使用一個完全可編程的16位定點雙哈佛架構DSP核心作為其主處理器，意味著BelaSigna 250可以迅速地在軟件中進行配置——利用AMIS或第三方軟件合作伙伴提供的程序庫功能，使這個進程得以加速。

　　通過納入加權疊加式(WOLA)濾波器組協處理器而引入的平行性，通過在時間域和頻率域之間的一個信號上進行轉換以及其它基于矢量的計算，推動了數字濾波。這個硬件加速功能使得在便攜式設計中所要求的電源效率和空間要求成為可能。

　　這個平行處理器架構被一個完全立體聲的音頻信號鏈所環繞，包括經由16位過采樣∑-△A/D轉換器的輸入和包括模擬線路輸出以及可以直接驅動擴音器的差分數字功率輸出。音頻鏈杰出的保真度提供了一個88dB的整體系統動態范圍。架構能夠執行雙精度操作意味著這個信號保真度可以在處理期間被維持。通過在WOLA濾波器組協處理器中使用的新時間—頻率轉換算法，實現了極低的系統噪音以及較低的群延遲。

　　由經過音頻優化的DMA單元，即輸入/輸出處理器(IOP)來管理設備內的信號數據。這個單元管理著從ADC和輸入FIFO得來的數據集合。在處理之后，它還向音頻輸出級和輸出FIFO饋送數字數據。每一個FIFO本身具備兩個內部接口：其一是一個標準順序，當數據到達時，最近輸入塊的地址會發生改變；其二是一個用于時域濾波的“智能”接口，最近的輸入在那里保持不變。

　　除了接口連接的靈活性之外，可以通過四種一般意義上有所不同的方法來訪問FIFO中的數據：單聲道模式；簡單立體聲模式；數字混合模式；以及完全立體聲模式。這些模式為立體聲數據以及單聲道/立體聲輸入/輸出配置的交叉或分塊存儲提供了多樣的選擇。

　　通過在一個單獨設備中合并兩個主要的處理單元、硬件加速、數據管理以及輸入/輸出信號調節，設計師可以更快更簡單地集成更大的系統。他們可以顯著地削減組件數量，滿足便攜式裝備中固有的小尺寸要求。加入I2S、PCM、SPI、I2C、TWSS和GPIO的直接接口，以及采用設備的小型形狀因子（64針腳LFBGA包，尺寸僅為7mmx7mm）和處理數據的集成IOP，進一步幫助設計師實現小型化。

　　此外，BelaSigna 250還加入了許多額外功能，有助于降低功耗。該設備具有低功耗設計。例如，系統在平均負載下以1.8V的供電電壓和20MHz的時鐘頻率工作，通常將消耗不到5mA的電量。為了額外節能，每一個輸入通道都可以通過軟件關斷，同時，僅需0.05mA電流供應的低電流待機模式延長了電池壽命。

從20世紀70年代產生構想以來，特別是在過去十年間，數據信號處理(DSP)在媒體應用激增的推動下，已經成為了一項耳熟能詳的技術。從用于軍事的語音和圖像處理開始，這項技術首先發展進入音頻和視頻的應用環境，隨即又進入了更加主流的電子領域。

　　今天，設計師們正面臨著如下一系列信號處理方面的挑戰：要求同時具備先進的功能性、便攜性和低耗能性的應用，其要求不斷增加。音頻領域是個典型應用：從專業耳機到電子聽診器和遙感器，新的應用不斷出現，這就要求工程師利用電池供電，以相對較低的成本和小型化設計實現音頻壓縮和錄音、聲音管理、回波消除和言語處理。

　　但是應用的便攜性增加了這些挑戰的難度：低能耗不僅僅要求提高電池壽命，還要求降低電池的尺寸大小和重量。尺寸限制還要求組件數量越少越好，而設備的復雜性則不斷隨著市場要求產品所具特色的增加而增加。最后，市場的快速變化向設計師們施壓，他們必須比以前更加迅速地完成項目，并盡快將他們的想法轉化成銷售額。因此，IP復用或某些形式的可編程性至關重要。

　　有充分證據證明，實現信號處理功能集成的驅動力也對傳統上模擬和數字電子技術之間的分離造成了沖擊，使得混合信號的IC設計更加普遍。對于芯片設計師來說，這本身就困難重重：例如，他們需要設計具備多重地和電源的組件，并確保模擬和數字兩部分之間的充分隔離，因為其中一部分可能干擾到另一部分。

　　盡管存在這些固有的難題，系統設計師的需求已經使模擬和數字技術集成于芯片上變得不可避免。產業從許多不同的方向解決了這個問題：線性電路的制造商已經開始向他們的設備添加數字功能；同時可編程邏輯技術的供應商也已經嘗試集成模擬功能。但是，最重要和最成功的事情可能是，微處理器、DSP以及DSP核心的制造商一直努力在芯片上集成更多外圍功能。今天，具有真正專門知識和處理技術的設備供應商可以提供具備ADC、DAC、顯示驅動器、電源管理、集成放大器以及許多在特殊應用中普遍使用的外圍支持功能的單芯片信號處理解決方案。

　　單芯片音頻處理解決方案

　　圖1展示了由AMI半導體公司開發的經優化的混合信號片上系統音頻處理解決方案的示意圖。這款被稱為BelaSigna? 250的芯片提供了一個極好的例子，證明了當前使用最新的混合信號半導體處理技術而可能達到的集成水平。

　　該設備以將非同尋常的功率效率與高性能有機結合的平行處理架構為基礎，構成了一個完整的音頻解決方案，包括ADC與DAC、濾波器、放大器和電源管理電路。使用一個完全可編程的16位定點雙哈佛架構DSP核心作為其主處理器，意味著BelaSigna 250可以迅速地在軟件中進行配置——利用AMIS或第三方軟件合作伙伴提供的程序庫功能，使這個進程得以加速。

　　通過納入加權疊加式(WOLA)濾波器組協處理器而引入的平行性，通過在時間域和頻率域之間的一個信號上進行轉換以及其它基于矢量的計算，推動了數字濾波。這個硬件加速功能使得在便攜式設計中所要求的電源效率和空間要求成為可能。

　　這個平行處理器架構被一個完全立體聲的音頻信號鏈所環繞，包括經由16位過采樣∑-△A/D轉換器的輸入和包括模擬線路輸出以及可以直接驅動擴音器的差分數字功率輸出。音頻鏈杰出的保真度提供了一個88dB的整體系統動態范圍。架構能夠執行雙精度操作意味著這個信號保真度可以在處理期間被維持。通過在WOLA濾波器組協處理器中使用的新時間—頻率轉換算法，實現了極低的系統噪音以及較低的群延遲。

　　由經過音頻優化的DMA單元，即輸入/輸出處理器(IOP)來管理設備內的信號數據。這個單元管理著從ADC和輸入FIFO得來的數據集合。在處理之后，它還向音頻輸出級和輸出FIFO饋送數字數據。每一個FIFO本身具備兩個內部接口：其一是一個標準順序，當數據到達時，最近輸入塊的地址會發生改變；其二是一個用于時域濾波的“智能”接口，最近的輸入在那里保持不變。

　　除了接口連接的靈活性之外，可以通過四種一般意義上有所不同的方法來訪問FIFO中的數據：單聲道模式；簡單立體聲模式；數字混合模式；以及完全立體聲模式。這些模式為立體聲數據以及單聲道/立體聲輸入/輸出配置的交叉或分塊存儲提供了多樣的選擇。

　　通過在一個單獨設備中合并兩個主要的處理單元、硬件加速、數據管理以及輸入/輸出信號調節，設計師可以更快更簡單地集成更大的系統。他們可以顯著地削減組件數量，滿足便攜式裝備中固有的小尺寸要求。加入I2S、PCM、SPI、I2C、TWSS和GPIO的直接接口，以及采用設備的小型形狀因子（64針腳LFBGA包，尺寸僅為7mmx7mm）和處理數據的集成IOP，進一步幫助設計師實現小型化。

　　此外，BelaSigna 250還加入了許多額外功能，有助于降低功耗。該設備具有低功耗設計。例如，系統在平均負載下以1.8V的供電電壓和20MHz的時鐘頻率工作，通常將消耗不到5mA的電量。為了額外節能，每一個輸入通道都可以通過軟件關斷，同時，僅需0.05mA電流供應的低電流待機模式延長了電池壽命。