智能手機(jī)音頻系統(tǒng)的整合與設(shè)計(jì)趨勢(shì)

在固定系統(tǒng)中，音訊頻率通常是由石英振蕩器產(chǎn)生。例如，AC’97便指明符合規(guī)定的編譯碼芯片具有一個(gè)芯片上的振蕩器，其連結(jié)至一個(gè)外部的24.576MHz(512 × 48kHz)石英，I2S則使用高出數(shù)倍的取樣速率，通常其取樣速率為256。然而，在智能型手機(jī)的設(shè)計(jì)中，考慮到額外的功耗、占板空間及頻率石英體的成本，因此設(shè)計(jì)師多從已出現(xiàn)在板子上的其它頻率取得Hi-Fi音訊頻率。雖然此額外的頻率部分需由鎖相回路(PLL)實(shí)現(xiàn)，但是此解決方案仍較外加的石英振蕩器受到歡迎，因?yàn)榈凸β?、低噪聲的鎖相回路能以極低的價(jià)格被整合至混合訊號(hào)IC中。相同的情況也適用于其它子系統(tǒng)可能需要的頻率，例如支持視訊的MPEG譯碼器的標(biāo)準(zhǔn)27MHz頻率。針對(duì)I2S，不同的取樣速率需要不同的頻率頻率，藉由簡(jiǎn)單地將word clock LPCLK(其頻率為取樣速率)乘以256或任何其它固定數(shù)字，鎖相回路能在任何情況中提供正確的頻率。因此組件供應(yīng)者也傾向?qū)⒁换騼蓚€(gè)鎖相回路整合至他們智能型手機(jī)的編譯碼芯片中。

麥克風(fēng)

在智能型手機(jī)中，許多最困難的設(shè)計(jì)問(wèn)題都和麥克風(fēng)有關(guān)。其中通常必需考慮至少兩個(gè)麥克風(fēng)：內(nèi)建(內(nèi)部)麥克風(fēng)和做為耳機(jī)一部份的外接麥克風(fēng)。其它更多內(nèi)部麥克風(fēng)的存在可能是為了要消除噪聲或是立體聲錄音，而免持式汽車套件則可能會(huì)連接外接麥克風(fēng)。除了電話通話外，這些麥克風(fēng)也能在應(yīng)用處理器的控制下被用來(lái)錄制語(yǔ)音備忘，或甚至是視訊片段的音軌。

為完全避免芯片外的切換，智能型手機(jī)編譯碼芯片必需提供充足的輸入，最好是能有可獨(dú)立調(diào)整的增益及彈性的路徑，以涵括所有的使用情境。除錄音之外，也應(yīng)提供「?jìng)?cè)音」功能。這便為模擬輸出增加了一個(gè)微弱版本的麥克風(fēng)訊號(hào)，因此使用耳機(jī)撥打電話的人可以聽(tīng)見(jiàn)自己的聲音。當(dāng)耳機(jī)插入或未連結(jié)時(shí)，插入偵測(cè)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部至外接麥克風(fēng)間的無(wú)縫切換。

噪聲是另一個(gè)普遍的考慮。電路的高頻和數(shù)字部分會(huì)產(chǎn)生干擾，此干擾的產(chǎn)生是來(lái)自PCB線路帶有麥克風(fēng)訊號(hào)所致，且此干擾會(huì)由芯片上前置放大器放大。為避免此問(wèn)題，謹(jǐn)慎的PCB布局是關(guān)鍵重要的因素，差異化的麥克風(fēng)輸入是另一個(gè)有效的對(duì)策。然而，不同的輸入有它們自己的布局需求：兩組PCB線路必需以平行或是相鄰的方式運(yùn)作，所以其中一組線路拾起的任何噪聲，也會(huì)出現(xiàn)在另一組線路中，因此必需在麥克風(fēng)放大器中加以消除。

降噪是另一個(gè)獨(dú)立的問(wèn)題，需要兩個(gè)麥克風(fēng)解決;一個(gè)拾起帶有背景噪聲的喇叭語(yǔ)音，另一個(gè)則僅拾起有背景噪聲。若只在模擬電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的消除，通常無(wú)法產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果，這是因?yàn)楦鶕?jù)噪聲發(fā)出的方向，這兩種噪聲訊號(hào)的相位和幅度都會(huì)有所不同。在此需要進(jìn)行數(shù)字訊號(hào)處理。然而，編譯碼芯片必需藉由數(shù)字化這兩種麥克風(fēng)訊號(hào)來(lái)執(zhí)行此任務(wù)。

另一種噪音發(fā)生于在戶外使用時(shí)，亦即風(fēng)切噪音，其大部分被限制在200Hz的頻率以下，因此能以高通濾波器消除部分的噪音。最簡(jiǎn)單的解決方案便是在麥克風(fēng)輸入采用較小的耦合電容器。然而，這將讓麥克風(fēng)無(wú)法被用在室內(nèi)的音樂(lè)錄音，造成沒(méi)有低音部分。因此針對(duì)雙用途的麥克風(fēng)而言，此濾波非必要。附帶一提，大部分的音訊模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器已具備內(nèi)建高通濾波器，以消除來(lái)自數(shù)字訊號(hào)的DC偏壓。IC業(yè)者已針對(duì)行動(dòng)應(yīng)用將此特性客制化，其方法為讓角頻(corner frequency)成為一種選擇，一些Hz為提供Hi-Fi之用途，另一些介于100Hz和200Hz的頻率則是針對(duì)支持風(fēng)切濾波的語(yǔ)音。理所當(dāng)然地，模擬和數(shù)字濾波也能結(jié)合以創(chuàng)造更高階的濾波特性。

頭戴式耳機(jī)(Headphone)和雙耳式耳機(jī)(Headset)

處理行動(dòng)電話的雙耳式耳機(jī)也需要特別的模擬電路。最顯而易見(jiàn)的首要任務(wù)便是在雙耳式耳機(jī)插入時(shí)，要重新規(guī)劃來(lái)自單耳耳機(jī)或其它揚(yáng)聲器輸出訊號(hào)的路徑。雖然具有整合型機(jī)械開(kāi)關(guān)的插口能實(shí)現(xiàn)此目的，但是它們通常笨重又昂貴。再者，使用于揚(yáng)聲器的訊號(hào)層級(jí)可能并不適用于雙耳式耳機(jī)。針對(duì)單耳耳機(jī)、揚(yáng)聲器和雙耳式耳機(jī)提供獨(dú)立模擬輸出，具有獨(dú)立的音量控制便能解決此問(wèn)題，并可允許采用較簡(jiǎn)單的插口。雖然仍需要一個(gè)機(jī)械式開(kāi)關(guān)，但是只要單柱、單擲型態(tài)，一端連至接地接腳的開(kāi)關(guān)就已足夠了，所以此插口僅需一個(gè)外部接腳。然而，在多媒體電話中，此開(kāi)關(guān)的啟動(dòng)并不一定就是因?yàn)殡p耳式耳機(jī)的插入;插在標(biāo)準(zhǔn)尺寸插口中的，可能只是沒(méi)有包含麥克風(fēng)在內(nèi)的頭戴式耳機(jī)。因此，麥克風(fēng)的存在與否應(yīng)分開(kāi)偵測(cè)。對(duì)電子式麥克風(fēng)而言，可以藉由感測(cè)麥克風(fēng)的偏壓電流而實(shí)現(xiàn)此目的，若沒(méi)有電流流動(dòng)，則代表沒(méi)有麥克風(fēng)插入。相反地，一個(gè)大而不尋常的偏壓電流也是很明顯的：為避免增加其它的接觸至標(biāo)準(zhǔn)頭戴式耳機(jī)或雙耳式耳機(jī)插座，在雙耳式耳機(jī)上用來(lái)接收來(lái)電的按鈕(所謂的鉤鍵開(kāi)關(guān))通常會(huì)讓麥克風(fēng)短路。結(jié)果，偏壓電流增加，指出此鉤鍵開(kāi)關(guān)已被按壓。藉由在芯片上麥克風(fēng)偏壓電路中增加一個(gè)電流傳感器，智能型手機(jī)編譯碼芯片能偵測(cè)這兩種情況，并自動(dòng)針對(duì)個(gè)別情況采取正確的動(dòng)作。

揚(yáng)聲器

行動(dòng)電話中的揚(yáng)聲器數(shù)目和輸出功率在最近不斷膨脹。然而在1990年代，單邊耳機(jī)才是王道，現(xiàn)代的掀蓋式手機(jī)配備了內(nèi)部和外部喇叭，如此無(wú)論手機(jī)是打開(kāi)或是合起，都能播放音樂(lè)。支持立體鈴聲需要兩個(gè)外部揚(yáng)聲器，而普遍的免持功能則在小型單耳耳機(jī)之外還需要另一個(gè)就行動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)而言「大型」揚(yáng)聲器。如同麥克風(fēng)一般，為每一揚(yáng)聲器提供專屬的模擬輸出能帶來(lái)許多芯片外切換(off-chip switching)所沒(méi)有的好處，由于揚(yáng)聲器放大器會(huì)用掉龐大的供應(yīng)電流，因此在未啟動(dòng)時(shí)降低功耗便成為十分重要的事。行動(dòng)電話編譯碼芯片提供越來(lái)越多的細(xì)部電源管理，能個(gè)別啟動(dòng)或關(guān)掉每一個(gè)輸出，以避免任何沒(méi)有必要的電池電力浪費(fèi)。再者，現(xiàn)有電源管理解決方案中的穩(wěn)壓器通常無(wú)法提供驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器音量全開(kāi)所需的電流。編譯碼芯片供應(yīng)業(yè)者已針對(duì)此問(wèn)題提出因應(yīng)之道，他們?cè)O(shè)計(jì)讓芯片上揚(yáng)聲器放大器直接利用電池的電壓運(yùn)作(一般是鋰離子電池的4.2V)，而非調(diào)整過(guò)后的供應(yīng)電壓。一般而言，雖然這種作法并無(wú)法節(jié)省電力，此揚(yáng)聲器放大器會(huì)消耗原本是由穩(wěn)壓器消耗的電力，但是卻能除去增加一個(gè)穩(wěn)壓器的需求。

鈴聲