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引言 功能手機(jī)、智能手機(jī)、PDA 以及其它許多手機(jī)派生產(chǎn)品正在取代許多便攜式電子設(shè)備的地位。這種功能融合，在減少消費(fèi)者攜帶設(shè)備數(shù)量的同時(shí)，擴(kuò)大對(duì)系統(tǒng)的音頻要求，并增加了設(shè)計(jì)人員解決音頻難題的負(fù)擔(dān)。 隨著音頻需求的增加，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇使用分立音頻功能模塊的方法。然而，在混合信號(hào)系統(tǒng)中采用這種方法是多線作戰(zhàn)。在數(shù)字領(lǐng)域，提供多種采樣率、格式和數(shù)字式電平會(huì)使復(fù)雜性呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在模擬領(lǐng)域，信號(hào)偏置于不同的電平水準(zhǔn)，同時(shí)需要混合和切換、放大和衰減，且容易拾取噪音。事實(shí)上，目前便攜式媒體設(shè)備具有10～20 條不同的音頻信號(hào)路徑非常普遍。在這種迷宮中找到一條道路是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)�；旌闲盘�(hào)子系統(tǒng)通過(guò)集成多種有效要素，幫助解決這類(lèi)問(wèn)題。 信號(hào)路由 混合信號(hào)子系統(tǒng)的最顯著的特點(diǎn)是它能夠?qū)⒃S多信號(hào)路由到多個(gè)地方。憑借使用路由信號(hào)，便攜式媒體設(shè)備或手機(jī)能夠執(zhí)行許多任務(wù)�；旌闲盘�(hào)音頻子系統(tǒng)的示例如圖 1 所示。 
例如，考慮一個(gè)同時(shí)具備手機(jī)和數(shù)字音頻播放器功能的系統(tǒng)。來(lái)自手機(jī)基帶的脈沖編碼調(diào)制 (PCM) 數(shù)字信號(hào)需要連接到數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，繼而連接到耳機(jī)放大器供耳機(jī)使用。同一耳機(jī)放大器也適用于數(shù)字音頻播放器，這是一個(gè) I2S 數(shù)據(jù)流，通過(guò) DAC 播放然后連接到耳機(jī)。具有雙數(shù)字音頻端口的混合信號(hào)子系統(tǒng)可以輕松完成此任務(wù)。 具備多路復(fù)用能力的混合信號(hào)音頻子系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠處理模擬FM收音機(jī)信號(hào)。雖然調(diào)頻收音機(jī)信號(hào)電平通常是受到控制的，但它們常常超出規(guī)格。這些超出規(guī)格的電平通常比預(yù)期大得多，這可能會(huì)導(dǎo)致?lián)P聲器損壞�；旌闲盘�(hào)音頻子系統(tǒng)可以將FM信號(hào)數(shù)字化，使用DSP從而提供自動(dòng)電平控制(ALC)和均衡，然后轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)以便放大給揚(yáng)聲器或耳機(jī)。此外，混合信號(hào)子系統(tǒng)可以將數(shù)字化的信號(hào)傳遞給基帶處理器，以便進(jìn)行更多 DSP 處理。 除了音頻路由和處理之外，混合信號(hào)子系統(tǒng)還可以混合多個(gè)音頻流。通過(guò)將來(lái)自麥克風(fēng)的信號(hào)混合到耳機(jī)中，由此產(chǎn)生側(cè)音。同樣，可以在聽(tīng)音樂(lè)的同時(shí)播放鈴聲，而無(wú)需使音樂(lè)靜音。 擁有兩個(gè)數(shù)字音頻端口可以使混合信號(hào)音頻子系統(tǒng)成為在系統(tǒng)內(nèi)連接數(shù)字音頻的強(qiáng)大工具。例如，I2S 數(shù)字音頻流可轉(zhuǎn)換為PCM并發(fā)送到基帶�；蛘�，可以使用相同方法將48kHz的I2S接口數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為44.1kHz信號(hào)。 受益于雙數(shù)字音頻端口和采樣率轉(zhuǎn)換的一種應(yīng)用是藍(lán)牙橋。混合信號(hào)音頻子系統(tǒng)提供從藍(lán)牙收發(fā)器到基帶的連接橋。如果需要，可以執(zhí)行采樣率轉(zhuǎn)換，以及數(shù)字均衡。這種連接的示例如圖2所示。
通過(guò)混合信號(hào)音頻子系統(tǒng)連接到藍(lán)牙收發(fā)器使許多案例成為可能。顯然，電話機(jī)能夠處理雙向語(yǔ)音。藍(lán)牙收到的音頻信號(hào)能夠發(fā)送到揚(yáng)聲器或耳機(jī)中。FM收音機(jī)信號(hào)在混合信號(hào)子系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)字化并發(fā)送到藍(lán)牙耳機(jī)�；鶐幚砥骺梢詫�(lái)自閃存的數(shù)字音頻通過(guò)混合信號(hào)子系統(tǒng)發(fā)送到耳機(jī)或放大器，如具有藍(lán)牙功能且能夠幫助實(shí)現(xiàn)汽車(chē)中立體聲效果的擴(kuò)充口或耳機(jī)。 D類(lèi)輸出功率 D類(lèi)揚(yáng)聲器放大器憑借其高效率正在成為智能手機(jī)和多功能手機(jī)的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。D類(lèi)放大器的優(yōu)勢(shì)在于輸出功率。高輸出功率的D類(lèi)放大器能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)揚(yáng)聲器達(dá)到響亮清晰的水準(zhǔn)。在環(huán)境噪音較大的區(qū)域(如火車(chē)站和機(jī)場(chǎng))，通常需要迅速分辨鈴聲。 功能手機(jī)或智能手機(jī)也常常用于媒體資源共享。比如，與朋友分享一首歌或與同事共享信息。 混合信號(hào)音頻子系統(tǒng)擁有高功率的D類(lèi)放大器。例如，LM49352通常可用4.2V信號(hào)將970mW 傳遞到8Ω負(fù)載，總諧波失真及噪音(THD+N)僅為1%。這樣出眾的輸出功率確保在較高的音量水平下清晰傳遞消息。 一項(xiàng)最新應(yīng)用在手機(jī)中的功能是微型投影儀。微型投影儀在高輸出功率標(biāo)準(zhǔn)下，可以實(shí)現(xiàn)與一群人共享視頻。 PSRR 移動(dòng)電話憑借開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)高效提供多種電源電壓。除了SMPS電源產(chǎn)出高頻噪音之外，手機(jī)本身也會(huì)借助RF功率放大器(PA)循環(huán)供電。這種 PA 循環(huán)頻率發(fā)生在音頻頻帶中，通常為217Hz。 所有這些噪音源會(huì)降低手機(jī)的音頻質(zhì)量，有時(shí)會(huì)非常嚴(yán)重。混合信號(hào)音頻子系統(tǒng)中一個(gè)最主要的特性是對(duì)這些噪音具有高抵抗力�；旌闲盘�(hào)音頻子系統(tǒng)的電源抑制比(PSRR)可達(dá)90dB或更高，最大限度地減少了這些來(lái)源導(dǎo)致的任何噪音。例如，混合信號(hào)音頻子系統(tǒng)LM49350的耳機(jī)放大器的PSRR測(cè)試結(jié)果表明，該器件在217Hz時(shí)的PSRR為95dB，且在較高頻率區(qū)域的保持高音頻質(zhì)量。 高PSRR對(duì)系統(tǒng)具有巨大的價(jià)值�；旌闲盘�(hào)音頻子系統(tǒng)的模擬電源可以直接連接到電池，源自 SMPS的數(shù)字電源可用于產(chǎn)生其它數(shù)字核心電壓。由于混合信號(hào)音頻子系統(tǒng)本身能抑制噪音，因此不需要額外的低壓降穩(wěn)壓器(LDO)或被動(dòng)式濾波器來(lái)消除噪音。 單獨(dú)的耳機(jī)電源 幾乎所有便攜式媒體設(shè)備具有的通用功能是其立體聲耳機(jī)連接。與耳機(jī)的連接一般采用標(biāo)準(zhǔn)的3.5mm插孔、專(zhuān)用連接器或迷你USB接口的變形。在所有這些情況下，耳機(jī)阻抗通常約為32Ω。一個(gè)充電泵產(chǎn)生負(fù)電壓的真正接地的耳機(jī)放大器，只需施加1V電壓到32Ω負(fù)載，即可提供16mW的功率。對(duì)大多數(shù)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，16mW 已非常響亮，所以實(shí)際所需的電壓要低得多。 因?yàn)槎鷻C(jī)放大器是AB類(lèi)，所以單獨(dú)及較低電源電壓的耳機(jī)需要具備顯著的功率優(yōu)勢(shì)。在圖3中，兩條曲線顯示具有AB類(lèi)輸出的單通道理想放大器。只需將耳機(jī)電源從3.3V降低到1.8V，即可節(jié)省能耗45%。雖然D類(lèi)放大器在理論上將節(jié)省更多能源，但它需要體積較大且比較昂貴的LC輸出濾波器。而且，未知的耳機(jī)線長(zhǎng)度和負(fù)載阻抗也會(huì)使濾波器的設(shè)計(jì)變得非常困難。
高SNR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 高性能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是使幾何處理技術(shù)水平日益下降的一個(gè)因素。遺憾的是，手機(jī)中的基帶IC憑借先進(jìn)的處理技術(shù)，可以在最小尺寸和最低功耗水平下提供較高的性能。雖然它實(shí)現(xiàn)了這些優(yōu)點(diǎn)，但是在基帶DAC和ADC中維持較高的信噪比(SNR)變得越來(lái)越難。 手機(jī)的多功能融合加劇了這種性能的下降。如果它們只是用作手機(jī)，就沒(méi)有太大的問(wèn)題。然而，對(duì)許多人來(lái)說(shuō)，手機(jī)也是他們的便攜式音樂(lè)播放器。這使信噪比要求特別是在使用高品質(zhì)耳機(jī)的時(shí)候，從電信質(zhì)量提高到高保真。 有人可能會(huì)提出異議，認(rèn)為SNR超過(guò)90dB將造成浪費(fèi)，但實(shí)際上這是不正確的。的確，絕大多數(shù)音頻便攜式媒體設(shè)備起源于CD音質(zhì)(44.1kHz 采樣，16位分辨率)，且使用MP3之類(lèi)的算法壓縮至更低的分辨率和保真度。然而，對(duì)于正常聽(tīng)力水平，大多數(shù)耳機(jī)對(duì)2mW左右的功率具有足夠的靈敏度。針對(duì)SNR設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)是40mW或更高的滿(mǎn)載輸出，因此設(shè)計(jì)人員只損失了大約26dB SNR。 由數(shù)模轉(zhuǎn)換移出基帶的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以讓DAC更貼近負(fù)載。與模擬信號(hào)相比，數(shù)字信號(hào)具有更高的抗噪能力�；旌闲盘�(hào)子系統(tǒng)消除了從基帶DAC到外部放大器的布線，從而消除了這種噪音來(lái)源。 結(jié)語(yǔ) 與分立電路模塊實(shí)現(xiàn)方法相比，混合信號(hào)音頻子系統(tǒng)具備許多無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括：節(jié)省空間、降低功耗、增加功能和提高性能。隨著市場(chǎng)上消費(fèi)者對(duì)多種功能需求的日益增加，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過(guò)采用混合信號(hào)音頻子系統(tǒng)能夠節(jié)省大量時(shí)間。 參考文獻(xiàn)： [1] National Semiconductor Extends Family of Low-Power, Premium Quality Audio Subsystems for Handheld Devices[R/OL].(2009-3-31). http://www.national.com/news/item/0,1735,1390,00.html 2] Guy J.Class D Amplifier[R/OL].(2008-12). http://www.national.com/vcm/NSC_ ... ssDAmplifierFAQ.pdf [3]Guy J. Headphone Amplifiers: Choose the right topology for your application [R/OL].(2008-2). http://www.audiodesignline.com/howto/206503144 [4]Boyce K. Cellular Handset Audio Evolution pt 2[R/OL].(2005-9). http://www.audiodesignline.com/s ... articleID=169400984 [5] Boyce K.Use microphone arrays for background acoustic noise suppression in portables - Part 1[R/OL].(2008-7). http://www.audiodesignline.com/showArticle.jhtml;jsessionid=OYALHZT5QDJX2QSNDLPCKHSCJUNN2JVN?articleID=209100302&queryText=boyce 作者：John Guy 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司應(yīng)用工程師 Genevieve Vansteeg 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)工程師 時(shí)間：2010-02-08 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 |
