混合信號音頻子系統(tǒng)實現(xiàn)便攜式產品高性能音頻

John Guy Genevieve Vansteeg

摘要：個人移動設備中的音頻系統(tǒng)能夠將多種功能集成為一體，不過由于選擇眾多，滿足這些需求比較困難。一種有效的解決方案是使用音頻子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)可以使系統(tǒng)便捷五連并且提供出色的音頻性能。性能改善的主要領域是揚聲器的輸出功率、電源抑制和高動態(tài)范圍編解碼器。

關鍵詞：混合信號；音頻；子系統(tǒng)；便攜式；路由

引言

功能手機、智能手機、PDA以及其它許多手機派生產品正在取代許多便攜式電子設備的地位。這種功能融合，在減少消費者攜帶設備數量的同時，擴大對系統(tǒng)的音頻要求，并增加了設計人員解決音頻難題的負擔。

隨著音頻需求的增加，系統(tǒng)設計人員可以選擇使用分立音頻功能模塊的方法。然而，在混合信號系統(tǒng)中采用這種方法是多線作戰(zhàn)。在數字領域，提供多種采樣率、格式和數字式電平會使復雜性呈指數級增長。在模擬領域，信號偏置于不同的電平水準，同時需要混合和切換、放大和衰減，且容易拾取噪音。事實上，目前便攜式媒體設備具有10～20條不同的音頻信號路徑非常普遍。在這種迷宮中找到一條道路是一項艱巨的任務?；旌闲盘栕酉到y(tǒng)通過集成多種有效要素，幫助解決這類問題。

信號路由

混合信號子系統(tǒng)的最顯著的特點是它能夠將許多信號路由到多個地方。憑借使用路由信號，便攜式媒體設備或手機能夠執(zhí)行許多任務?；旌闲盘栆纛l子系統(tǒng)的示例如圖1所示。

例如，考慮一個同時具備手機和數字音頻播放器功能的系統(tǒng)。來自手機基帶的脈沖編碼調制(PCM)數字信號需要連接到數模轉換器(DAC)，繼而連接到耳機放大器供耳機使用。同一耳機放大器也適用于數字音頻播放器，這是一個I2s數據流，通過DAC播放然后連接到耳機。具有雙數字音頻端口的混合信號子系統(tǒng)可以輕松完成此任務。

具備多路復用能力的混合信號音頻子系統(tǒng)的男一個優(yōu)點是能夠處理模擬FM收音機信號。雖然調頻收音機信號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)格的電平通常比預期大得多，這可能會導致?lián)P聲器損壞?；旌闲盘栆纛l子系統(tǒng)可以將FM信號數字化。使用DsP從而提供自動電平控制(ALC)和均衡，然后轉換回模擬信號以便放大給揚聲器或耳機。此外，混合信號子系統(tǒng)可以將數字化的信號傳遞給基帶處理器，以便進行更多DSP處理。

除了音頻路由和處理之外，混合信號子系統(tǒng)還可以混合多個音頻流。通過將來自麥克風的信號混合到耳機中，由此產生側音。同樣，可以在聽音樂的同時播放鈴聲，而無需使音樂靜音。

擁有兩個數字音頻端口可以使混合信號音頻予系統(tǒng)成為在系統(tǒng)內連接數字音頻的強大工具。例如，I2s數字音頻流可轉換為PCM并發(fā)送到基帶?；蛘?，可以使用相同方法將48kHz的I2S接口數據流轉換為44.1kHz信號。

受益于雙數字音頻端口和采樣率轉換的一種應用是藍牙橋。混合信號音頻子系統(tǒng)提供從藍牙收發(fā)器到基帶的連接橋。如果需要，可以執(zhí)行采樣率轉換，以及數字均衡。這種連接的示例如圖2所示。

通過混合信號音頻子系統(tǒng)連接到藍牙收發(fā)器使許多案例成為可能。顯然，電話機能夠處理雙向語音。藍牙收到的音頻信號能夠發(fā)送到揚聲器或耳機中。FM收音機信號在混合信號子系統(tǒng)中進行數字化并發(fā)送到藍牙耳機?；鶐幚砥骺梢詫碜蚤W存的數字音頻通過混合信號子系統(tǒng)發(fā)送到耳機或放大器，如具有藍牙功能且能夠幫助實現(xiàn)汽車中立體聲效果的擴充口或耳機。

D類輸出功率

D類揚聲器放大器憑借其高效率正在成為智能手機和多功能手機的業(yè)界標準。D類放大器的優(yōu)勢在于輸出功率。高輸出功率的D類放大器能夠實現(xiàn)手機揚聲器達到響亮清晰的水準。在環(huán)境噪音較大的區(qū)域(如火車站和機場)，通常需要迅速分辨鈴聲。

功能手機或智能手機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。

混合信號音頻子系統(tǒng)擁有高功率的D類放大器。例如，LM49352通?？捎?.2v信號將970mW傳遞到8負載，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。

一項最新應用在手機中的功能是微型投影儀。微型投影儀在高輸出功率標準下，可以實現(xiàn)與一群人共享視頻。

PSRR

移動電話憑借開關模式電源(SMPS)高效提供多種電源電壓。除了SMPS電源產出高頻噪音之外，手機本身也會借助KF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。

所有這些噪音源會降低手機的音頻質量，有時會非常嚴重?；旌闲盘栆纛l子系統(tǒng)中一個最主要的特性是對這些噪音具有高抵抗力?；旌闲盘栆纛l子系統(tǒng)的電源抑制比(PSRR)可達90dB或更高，最大限度地減少了這些來源導致的任何噪音。例如，混合信號音頻子系統(tǒng)LM49350的耳機放大器的PsRR測試結果表明，該器件在217Hz時的PSRR為95dB，且在較高頻率區(qū)域的保持高音頻質量。

高PsRR對系統(tǒng)具有巨大的價值?；旌闲盘栆纛l子系統(tǒng)的模擬電源可以直接連接到電池，源自SMPS的數字電源可用于產生其它數字核心電壓。由于混合信號音頻子系統(tǒng)本身能抑制噪音，因此不需要額外的低壓降穩(wěn)壓器(LDO)或被動式濾波器來消除噪音。

單獨的耳機電源

幾乎所有便攜式媒體設備具有的通用功能是其立體聲耳機連接。與耳機的連接一般采用標準的3.5mm插孔、專用連接器或迷你USB接口的變形。在所有這些情況下，耳機阻抗通常約為32。一個充電泵產生負電壓的真正接地的耳機放大器，只需施加1v電壓到32負載，即可提供16mW的功率。對大多數用戶來說，16mW"已非常響亮，所以實際所需的電壓要低得多。

因為耳機放大器是AB類，所以單獨及較低電源電壓的耳機需要具備顯著的功率優(yōu)勢。在圖3中，兩條曲線顯示具有AB類輸出的單通道理想放大器。只需將耳機電源從3.3V降低到1.8V，即可節(jié)省能耗45％。雖然D類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，未知的耳機線長度和負載阻抗也會使濾波器的設計變得非常困難。

高SNR數據轉換器

高性能的數據轉換器是使幾何處理技術水平日益下降的一個因素。遺憾的是，手機中的基帶Ic憑借先進的處理技術，可以在最小尺寸和最低功耗水平下提供較高的性能。雖然它實現(xiàn)了這些優(yōu)點，但是在基帶DAC和ADC中維持較高的信噪比(sNK)變得越來越難。

手機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，就沒有太大的問題。然而，對許多人來說，手機也是他們的便攜式音樂播放器。這使信噪比要求特別是在使用高品質耳機的時候，從電信質量提高到高保真。

有人可能會提出異議。認為SNR超過90dB將造成浪費，但實際上這是不正確的。的確，絕大多數音頻便攜式媒體設備起源于CD音質(44.1kHz采樣，16位分辨率)，且使用MP3之類的算法壓縮至更低的分辨率和保真度。然而，對于正常聽力水平，大多數耳機對2nlw左右的功率具有足夠的靈敏度。針對SNR設定的標準是40row或更高的滿載輸出，因此設計人員只損失了大約26dB SNR。

由數模轉換移出基帶的另外一個優(yōu)點是可以讓DAC更貼近負載。與模擬信號相比，數字信號具有更高的抗噪能力?；旌闲盘栕酉到y(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源。

結語

與分立電路模塊實現(xiàn)方法相比，混合信號音頻子系統(tǒng)具備許多無法比擬的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括：節(jié)省空間、降低功耗、增加功能和提高性能。隨著市場上消費者對多種功能需求的日益增加，系統(tǒng)設計人員通過采用混合信號音頻子系統(tǒng)能夠節(jié)省大量時間。