智能手機音頻系統的整合與設計趨勢

當手機遇上可攜式電子，兩個不同的音訊世界產生了沖突。這么多年過去，模擬工程師仍舊竭力打造可以完美處理語音、音樂播放和鈴聲的解決方案。本文將檢視當前的技術進展，并探討智能型手機的音訊整合趨勢。

曾經有一段時間，數字音訊很清楚地被分為Hi-Fi和通話兩個部分。Hi-Fi一般意謂立體和16位分辨率，取樣速率為44.1kHz，這是原始的Compact Disc規格。另一方面，電話通話則是單聲道及低分辨率，一般是以8位和8kHZ數字化而成。不同型態的混合訊號IC各自適合不同的應用。Hi-Fi音訊編譯碼IC很快就采用多位sigma-delta技術去改善音質，同時間電話仍然是非常簡單，低數據速率及低成本變換器限制了改善音質的可能性。這兩種編譯碼芯片擁有不同的接口。市場上已出現一些針對Hi-Fi立體音響的數據格式，其中最為普及的是I2S (Inter-IC Sound)。電話語音編譯碼IC則通常是采用脈沖編碼調變(PCM)界面。嚴格來說，脈沖編碼調變已包含今日所使用的大部分數字格式，包括I2S;它的原始目的便是要區別數字編碼和像是頻率調變的模擬技術。然而，在數字通話方面，脈沖編碼調變通常是指一種特定、單聲道的數據格式，無法兼容于Hi-Fi立體音訊。

計算機音訊的崛起則造就了另一種接口的興起。雖然其音質要求和存在已久的消費性音訊市場頗為類似，然而，計算機需播放以不同取樣速率播放的音訊檔案(特別是8kHz、44.1kHz和48kHz)。以軟件轉換取樣速率是可行的，但是成本卻太昂貴。因此最被廣泛采用的AC’97標準便將此任務交給編譯碼芯片，造就以專屬硬件執行的效率會高出許多。AC’97實際上已成為計算機音訊的產業標準。

在一開始，可攜式系統仍一本初衷：隨身CD、迷你光盤及MP3播放器仍采用I2S數字模擬轉換器(DAC)，行動電話使用脈沖編碼調變，而支持音訊功能的PDA則通常具有和桌上型計算機相同的AC’97編譯碼。因此，毫無意外地，第一代的復合系統通常會包含在裝置內部比鄰分布的電話和PDA電路、具有由通訊處理器控制的脈沖編碼調變音訊編譯碼芯片，以及和應用處理器連接的Hi-Fi立體(AC’97或I2S)編譯碼芯片。然而，此編譯碼芯片的設計并未將這兩個音訊子系統的互連性考慮在內，或者僅有極少的考慮。針對此，通常會將離散式的固態開關安插至模擬訊號路徑中，便會造成噪聲及諧波失真，并且占據板子空間。

圖1：第一代智能型手機具有兩個獨立的音訊子系統(語音和Hi-Fi)。除了這兩個編譯碼芯片外，還需要其它的離散組件以進行訊號交換與混合。

整合趨勢

很明顯的，一個適合此應用的解決方案是備受期待。「系統單芯片」(SoC)的想法已引導一些業者將立體數字模擬轉換器或編譯碼芯片和其它大型IC整合在一起。然而，此方法并未產出媲美專屬音訊芯片的音質。電源管理和音訊IC的結合似乎犧牲了音質，因為整流器通常會將噪聲注入鄰近的音訊訊號電路中。將音訊整合至數字IC同樣也會面臨相同問題，因為真正的Hi-Fi組件通常需要以0.35微米制程針對混合訊號應用進行最佳化，然而數字邏輯已微縮至0.18微米或更小。對共存于同一芯片的這兩種電路而言，若非模擬電路的效能必需有所犧牲，要不然就是整個IC會被建造于更大的幾何形狀上，芯片尺寸將擴大到無法被接受的程度。

揚聲器放大器特別難以整合，因為它們會產生大量的熱，需要散熱處理。許多整合的芯片缺乏此功能，因此便不能被認為是真正的「系統單芯片」(SoC)解決方案，因為還需要一個外部的揚聲器驅動IC。另一個常見的問題是模擬輸入或輸出不夠充足，這是因為總是希望IC能越小越好。針對接腳配置在周圍的正方體封裝，例如QFN(方形扁平封裝，無導線)封裝體，會將每一邊的長度延長約1mm以容納一些額外的接腳，而如果此IC最初的體積就很大的話，這樣的增加則將導致占板空間暴增。例如，從5×5mm增加至6×6mm，則占板面積會增加11mm2，而若最初為10×10mm的封裝，則占板面積會增加至21mm2。

圖2：整合型智能型手機編譯碼芯片的方塊圖，其擁有一顆音訊DAC、一顆立體Hi-Fi DAC和兩顆ADC，被導引至脈沖編碼調變或是I2S接口。

專屬的音訊IC則能避免這些問題。藉由整合其它混合訊號功能，例如觸控數字化以及語音和Hi-Fi編譯碼功能的整合，芯片總數量可以減少。在此，音訊編譯碼被整合至電話芯片組中，因此比較適合的應該是具有額外模擬輸入、輸出和內部混合的H-Fi編譯碼芯片。然而，即使是在此情況中，仍需用到兩個編譯碼芯片，以容納無線藍牙耳機，因為許多藍牙編譯碼IC皆具有脈沖編碼調變接口。

音訊整合的方式有很多種。分享模擬數字轉換器和數字模擬轉換器可降低硬件成本，但是卻會導致無法同時播放或錄制兩個音訊串流。針對每一功能提供專屬的轉換器能克服此問題并延長電池壽命，因為電話等級的音訊區塊能以低于Hi-Fi功能的功耗設計。然而，這樣的解決方案會增加硅芯片的成本。一般妥協的方法是采用獨立的數字模擬轉換器，但共同分享則模擬數字轉換器。如此即使在通話中依然可以播放音訊(例如：在通化中同時聽到第二通來電的鈴聲或是音樂)，但是在通話時無法錄音至應用處理器，這樣的限制是可被接受的，因為在這樣的使用情境中，使用者不可能看到這么多的價值。藉由停止通道之一的用電，且其它通道以較低的取樣速率運作，可進一步降低模擬數字轉換器的功耗。

圖3：僅需使用三個輸入接腳和一個麥克風偏壓接腳便能讓兩個麥克風都連至編譯碼芯片

通訊和應用電路之間的內部電路區塊是可以分享的，但是接口就沒辦法了。這是因為每一個音訊串流都是在獨立頻率電路上運作，且擁有自己的頻率頻率。只要是這種情況，整合的智能型手機編譯碼芯片就同時需要脈沖編碼調變接口和一個獨立的I2S或AC’97連結。