混合信號音頻子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)便攜式產(chǎn)品高性能音頻

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)字式電平會使復(fù)雜性呈指數(shù)級增長。在模擬領(lǐng)域，信號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(diǎn)是它能夠?qū)⒃S多信號路由到多個(gè)地方。憑借使用路由信號，便攜式媒體設(shè)備或手機(jī)能夠執(zhí)行許多任務(wù)。混合信號音頻子系統(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)。來自手機(jī)基帶的脈沖編碼調(diào)制 (PCM) 數(shù)字信號需要連接到數(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 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。雖然調(diào)頻收音機(jī)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(yù)期大得多，這可能會導(dǎo)致?lián)P聲器損壞。混合信號音頻子系統(tǒng)可以將FM信號數(shù)字化，使用DSP從而提供自動電平控制(ALC)和均衡，然后轉(zhuǎn)換回模擬信號以便放大給揚(yáng)聲器或耳機(jī)。此外，混合信號子系統(tǒng)可以將數(shù)字化的信號傳遞給基帶處理器，以便進(jìn)行更多 DSP 處理。[!--empirenews.page--]

　　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(gè)音頻流。通過將來自麥克風(fēng)的信號混合到耳機(jī)中，由此產(chǎn)生側(cè)音。同樣，可以在聽音樂的同時(shí)播放鈴聲，而無需使音樂靜音。
擁有兩個(gè)數(shù)字音頻端口可以使混合信號音頻子系統(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。

　　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?；旌闲盘栆纛l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。

　　通過混合信號音頻子系統(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)能夠處理雙向語音。藍(lán)牙收到的音頻信號能夠發(fā)送到揚(yáng)聲器或耳機(jī)中。FM收音機(jī)信號在混合信號子系統(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碜蚤W存的數(shù)字音頻通過混合信號子系統(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)汽車中立體聲效果的擴(kuò)充口或耳機(jī)。

　　D類輸出功率

　　D類揚(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?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(如火車站和機(jī)場)，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

　　移動電話憑借開關(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。

　　所有這些噪音源會降低手機(jī)的音頻質(zhì)量，有時(shí)會非常嚴(yán)重?；旌闲盘栆纛l子系統(tǒng)中一個(gè)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(dá)90dB或更高，最大限度地減少了這些來源導(dǎo)致的任何噪音。例如，混合信號音頻子系統(tǒng)LM49350的耳機(jī)放大器的PSRR測試結(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對系統(tǒng)具有巨大的價(jià)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(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(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。對大多數(shù)用戶來說，16mW 已非常響亮，所以實(shí)際所需的電壓要低得多。[!--empirenews.page--]

　　因?yàn)槎鷻C(jī)放大器是AB類，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。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(jī)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(jī)線長度和負(fù)載阻抗也會使濾波器的設(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)，就沒有太大的問題。然而，對許多人來說，手機(jī)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(zhì)耳機(jī)的時(shí)候，從電信質(zhì)量提高到高保真。

　　有人可能會提出異議，認(rèn)為SNR超過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(shù)耳機(jī)對2mW左右的功率具有足夠的靈敏度。針對SNR設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)是40mW或更高的滿載輸出，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。與模擬信號相比，數(shù)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(jié)語

　　與分立電路模塊實(shí)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(fèi)者對多種功能需求的日益增加，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過采用混合信號音頻子系統(tǒng)能夠節(jié)省大量時(shí)間。