關鍵詞： 電話 , 音頻 , 整合

將耳機用于手持式設備時，兩種差別很大的音頻技術之間的沖突出現了。幾年后，模擬工程師仍然在完善他們的集成化方案，以便更好地處理通話、音樂播放和響鈴……

背景

曾幾何時，數字音頻還被隔離于Hi-Fi和電話之外。Hi-Fi常指在44.1kHz（原始CD規范）取樣的立體聲和16bit分辨率音頻。另一方面，電話信號是單聲道和低分辨率的，一般按照8bit和8kHz進行數字化處理。從表面上看，不同類型的混合信號IC似乎適合每一個應用。Hi-Fi音頻CODEC迅速利用了多位sigma-delta技術來改進音頻質量，而電話零件依然相當簡單，其中低數據率、低成本的傳聲器是限制其質量改進余地的主要原因。兩類CODEC也具有不同的接口。已經出現的Hi-Fi立體聲數據格式有很多，目前應用最廣泛的是I2S(Inter-IC Sound) 。電話CODEC通常帶有一個脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation，PCM）接口。嚴格來說，PCM概念包含了今天我們正在使用的大多數數字格式，其中包括I2S；PCM的初衷是將數字編碼和諸如調頻之類的模擬技術加以區別。然而，在數字電話中，PCM通常指一種特定的，與Hi-Fi立體聲不兼容的單音數據格式。

計算機音頻的出現也孕育了另一類接口的的出現。由于質量要求與現有消費音頻市場類似，就出現了以不同的取樣率(特別是8kHz、44.1kHz和48kHz)來播放錄制好的音頻文件的需求。雖然以軟件方式進行取樣率轉換是可能的，但是代價也非常昂貴。因此，目前已普遍使用的AC 97標準將該項任務交給CODEC處理，通過專門的硬件可以實現非常高的效率。目前，AC 97已經成為計算機音頻領域的主導性工業標準。

便攜式系統起初時還保持著自己的本來面目：個性CD、迷你唱碟和MP3播放器使用的是I2S DAC，移動電話保留了PCM技術，而具有音頻增強功能的PDA一般采用同臺式計算機相同的AC 97 CODEC。因此，這簡直令人震驚，第一代組合系統通常含有電話和PDA兩塊電路板，兩者背靠背排列在一個機箱內，其PCM通話CODEC由通訊處理器進行控制，Hi-Fi立體聲(AC 97或I2S)CODEC則由應用處理器進行控制。然而，CODEC根本就不是為這類應用設計的，幾乎很少或者根本就沒有為這兩個音頻子系統之間的互聯互通做任何考慮。因此，工程師通常會在模擬信號路徑中插入一些分立的固態（solidstate）開關，但是這也引入了噗噗聲、咔咔聲和諧波失真，并且占用PCB空間。

整合

顯然，為上述應用量身定做一個整合方案是很受歡迎的。受系統級芯片(SoC)設計理念的啟發，某些廠商已經將立體聲DAC或CODEC集成到大規模集成電路中。然而，這類方式并不能實現專用音頻芯片所達到的音頻質量。將電源管理IC和音頻IC組合在一起通常會折損音頻質量，因為電源調節器通常會向附近的音頻信號路徑中引入噪音。

將音頻整合到數字IC中同樣非常棘手，因為真正的Hi-Fi元器件一般要求采用最適合混合信號應用的0.35μm工藝，而數字邏輯電路已經發展到了0.18μm甚至于以下水平。對于這兩種單芯片整合方法來說，不是折損模擬范疇的性能，就是整個芯片的尺寸增大到難以接受的程度（如果整個IC按照較大的幾何原理進行設計的話）。

喇叭放大器會產生大量的熱量，需要采用適當的散熱裝置，特別難以整合。很多組合式芯片缺少這種功能，因此不能將其當成真正的“系統芯片”方案對待，它們通常需要一個外部揚聲器驅動器IC。另外一個常見的問題是由于希望IC尺寸盡可能小，導致模擬輸入或輸出數量不足。在方形封裝（如QFN四方扁平封裝，無引線）中，管腳環繞IC四周排列，可以通過將每邊的長度延長1mm來容納少數額外管腳，導致IC腳距大幅度增加。舉例來說，從5×5mm增加到6×6mm需要額外占用11mm2 PCB面積；如果從10×10mm封裝開始，額外增加的面積就是21mm2。

專用音頻IC避免了這些問題。通過將其它混合信號功能（如觸摸屏數字化處理）與通話CODEC和Hi-Fi CODEC集成，依然可以降低芯片管腳總數。這里，通話CODEC集成于電話芯片組中，Hi-Fi CODEC帶有另外的模擬輸入、輸出和內部混頻功能可能比較合適。另一方面，帶有藍牙連接專用PCM接口的雙CODEC也是非常有益的。

實現音頻整合的方法有很多。共享ADC和DAC能減少硬件成本，但是卻不能同時播放或錄制兩個音頻流。為每個功能配置專門的轉換器可以克服這個問題，而且還能延長電池的使用壽命，因為電話級（telephonygrade）音頻模塊的功耗可以設計得比Hi-Fi功能的功耗還要低。然而，這類解決方案卻增加了硅圓的成本。一個普遍的折衷是采用一些分立DAC，但是卻要共享這些ADC。這就允許通話(例如第二個來電的響鈴或音樂)的同時播放音頻，但是通話過程中應用處理器不會將這些記錄下來——這是一個可接受的局限性，因為用戶在這樣的使用場合下并不愿意查看第二個來電究竟有多大的接聽價值。關閉一個通道，并使另一通道以低取樣率運行，可以控制DAC的功耗。

計時和接口

雖然在通訊和應用兩個領域之間共享內部電路模塊是可能的，但是這種情況卻不會在接口應用發生。這是因為每個音頻數據流均按自己本身的時鐘頻率，運行于一個獨立的時鐘領域。只有這種情形存在，組合式智能電話CODEC就同時需要一個PCM接口和一個獨立的I2S或AC 97連接。

在固定系統中，音頻時鐘通常是由石英晶體振蕩器產生的。舉例來說，AC 97規定符合該規范的CODEC應該具有一個與外部24.576MHz(512×48kHz)石英晶體相連的片上振蕩器，而I2S零件則使用多重取樣率，最常見的是256。但是，在智能電話設計中，在額外功耗、PCB空間、和時鐘石英晶體成本的驅使下，設計師只好從另外一個已經存在于PCB上的時鐘來派生Hi-Fi時鐘。雖然復雜的奇數頻率比（odd frequency ratios）需要由鎖相環(PLL)實現，該方案依然偏向于采用外部石英晶體，因為低功耗、低噪音PLL能夠以較低的成本集成到混合信號IC中。該方法也適合其它子系統可能需要的一些時鐘信號，例如視頻增強型電話應用中MPEG解碼器的標準27MHz時鐘。在I2S CODEC中，不同取樣率需要不同的時鐘頻率，只要簡單地將字時鐘LRCLK(其頻率為取樣率)乘以256或任何其它固定數字，PLL就能夠在每種情況下提供正確的時鐘。因此，元器件廠商一般傾向于在他們的智能電話CODEC中集成一個或兩個PLL。

話筒

在智能電話設計中，很多最棘手的問題都與話筒有關。通常我們考慮的話筒至少有兩種：內建(內部)話筒和外部話筒，后者是耳機的一部份。為了消除噪音或實現立體聲錄制，可能需要一些輔助性內部話筒，而汽車免提設備可能要與另一外部話筒連接。除通話外，這些話筒也可在應用處理器的控制下錄制通話記錄，或者甚至于視頻剪輯的聲音軌道。

為了完全消除片外切換（off-chip switching），智能電話CODEC需要提供足夠的話筒輸入，最好具有可獨立調整的增益，以及靈活的內部路由路徑，以覆蓋所有使用場合。除錄音功能外，還應該提供一個“側音（side tone）”功能。這就為模擬輸出添加了一個衰減版本的模擬輸出，手機呼叫者就能夠聽到他們自己的聲音。當插入或拔出耳機時，插入檢測能夠使內部話筒和外部話筒之間無縫切換。

噪音是另一通常關注的問題。線路中的高頻和數字零件產生干擾信號，這些信號被負載話筒信號的PCB布線捕獲后，將被片上前置放大器放大。小心進行電路板布線在避免這個問題時起到了很大作用，采用差分話筒輸入則是另一有效方法。然而，輸入具有各自獨特的布線要求：這兩條PCB線路一定要并排分布，并且彼此相鄰，這樣一來，任何出現于某一線路的噪音也必將出現在另一線路中，從而使其完全從話筒前置放大器中消失。

消除噪聲屬于分離問題，需要兩個話筒：一個負責拾起帶有背景噪聲的揚聲器話音，另一個只負責背景噪聲。在模擬領域，簡單的減法操作幾乎無法達到滿意的結果，因為兩個噪聲信號的在相位和振幅方面有所不同，具體取決于噪聲進來的方向。這里也需要數字信號處理，但是通過對這兩個話筒信號進行數字化處理，CODEC必須使任務更容易完成。

另外一類出現在戶外應用的噪音是風噪音。該噪音主要局限于200Hz以下的頻率，可以通過高通濾波器大幅度減小。最簡單的解決方案是在話筒的輸入級使用一個較小容值的耦合電容器。然而，這也阻止了話筒在戶內音樂錄制方面的應用——這有可能使低音也消失。對于雙用話筒，濾波應因此成為一種備選項。值得一提的是，大多數音頻ADC已經帶有一個內建的高通濾波器，用以去除數字信號中的直流偏壓。集成電路廠商已經為移動電話應用定制了這個特征：少數Hz用于Hi-Fi，100-200Hz用于具有風力噪音濾除增強功能的通話。當然，模擬濾波和數字濾波也可以組合在一起，以創建更高階的濾波器特性。

耳機和耳塞

應對移動電話耳機也需要特定的模擬電路。第一個明顯的任務是當耳機插入時，將來自聽筒或其它揚聲器的輸出信號重新路由到耳機。雖然整合有插座的機械開關也能做到這一點，但是他們的體積很龐大并且成本很高。

而且，用于揚聲器的信號電平可能并不適合耳機。用于聽筒、揚聲器的獨立模擬輸出，以及帶有獨立音量控制功能的耳塞可以解決這個問題，而且還容許使用一個比較簡單的插座。雖然依然需要一個機械開關，但是一端連接于接地引腳的單孔、單擲機械開關已經足夠，所以插座只需要一個外部引腳。然而，在多媒體電話中，開關的激活沒有必要代表耳機的插入；對一個標準規格的插座來說，這可能正好相當于一個沒有話筒的耳機。因此，話筒的存在與否應該獨立檢測。

對于駐極體話筒，這可以通過監測話筒的偏置電流來實現：如果沒有電流流動，就沒有話筒插入。相反，一個不尋常的大偏置電流也很有意義：為了避免標準耳機/耳塞插座額外增加一個接點，用以應答來自耳塞（也稱作hookswitch）呼叫的按鈕通常會短接（shorts out）話筒。因此，偏置電流增加，就表明hookswitch被壓下。向片上話筒偏壓電路中添加一個電流傳感器，智能電話CODEC就能檢測到這兩種情況，并針對每一種情況自動采取正確的行動。

喇叭

最近，移動電話中喇叭的數量和輸出功率已經增加。然而1990年代單個聽筒已是基本配置，現代clamshell設計的特色是具有內側和外側揚聲器，可以在手機打開或關閉的情況下分別播放各自的音響。立體聲響鈴需要兩個外部揚聲器，而流行的免提功能除了小型聽筒外，可能還需要另外一個“大型”(參照移動電話標準)揚聲器。對于話筒，為每個揚聲器提供專門的模擬輸出比片外切換具有很多優勢。由于喇叭放大器能吸收大電源電流，在非激勵狀態下切斷它們的電源是至關重要的。智能電話CODEC提供了越來越多的微電源（granular power）管理功能,允許啟用或關閉每個輸出，避免任何不必要的電池消耗。

另外，現有電源管理方案中的電壓調節器通常無法提供充足的電流來驅動以最大音量工作的揚聲器。針對這個問題，CODEC廠商設計了一些片上喇叭放大器，以便直接通過電池(鋰離子電池的典型電壓在4.2V左右)運行，而不是調整后的電源電壓。雖然這樣做通常并不節能（喇叭放大器要額外耗能，電壓調節器也是這樣），但是卻不需要另外的電壓調節器。

響鈴

同過去幾年相比，響鈴的復雜度一直在穩步增加，已經從當初單調的“嗶嗶”序列音調發展成多音曲子，甚至于WAV和MP3段子，從字面上講任何類型的聲音都能制作成立體聲。MIDI已經變成多音響鈴接口標準，許多廠商已經為這個新應用開發出低成本的MIDI芯片。將此類IC整合到音頻子系統，要求CODEC具有一個額外的模擬輸入。

這些額外的輸入對連接FM收音機IC來說也是有用的，它為多媒體設備添加了另一項功能。MIDI鈴聲的產生電路當然應該集成于CODEC；然而，總的趨勢是將隨意響玲作為聲音文件保存下來，再通過現有的Hi-Fi DAC進行播放，這就限制了該想法對IC廠商的吸引力，因為他們的IP產品還沒有包含MIDI。

未來發展

那么，智能電話音頻的未來究竟如何？目前，一些值得關注的數字音頻趨勢包括：從立體聲向多聲道環繞聲格式轉移，最近推出的“Azalia高清晰度音頻”標準很可能被大多數PC和筆記本電腦所采用。

雖然不久以前，那些曾經嘲笑將立體聲揚聲器置于移動電話想法的人，已經被今天的市場現實證實是錯誤的；但是在可以遇見的未來，手持式裝置不可能發展成多聲道。同樣，目前也不能證明Azalia新特征的成本和功耗比AC 97高。I2S與AC 97之間的爭議正在繼續，某些設計者偏向于較不復雜的I2S接口，而其他一些人較喜好AC 97較少的引腳數及其易于處理的各種取樣率。由于很多用于移動電話的低功耗處理器目前已經能夠提供可以滿足上述兩個陣營嗜好的雙標準音頻接口，這兩個標準可能會繼續共存下去。相反，設計一個支持兩個標準的CODEC是相當困難的，因為以AC 97為代表的VRA(可變數據率音頻)需要一個與I2S完全不同的計時方案，以及顯著數量的額外數字電路。

使用一個音頻時鐘將應用處理器與通訊處理器成功整合到單個數字器件的經驗，將使通話接口與Hi-Fi音頻接口的合并成為可能，并可能最終促使業界重新回到低復雜度的CODEC。但就目前來說，IC廠商正在專注于將其它現有的混合信號元件集成到他們的音頻CODEC內，其中包括觸摸屏功能、電壓調節器和電源管理。

到現在為止，整合成像方案的進程（ready availability）阻止了音頻與照相機或視頻功能的整合，但是這絕不是一成不變的（a law set in stone）。與此同時，諸如3D增強、圖形補償和動態壓縮之類的音頻特性正開始蔓延，聲音質量、功率消耗和包裝尺寸也日趨完善。