混合信號音頻子系統實現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，該子系統可以使系統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、電源抑制和高動態范圍編解碼器。

關鍵詞：混合信號；音頻；子系統；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，在混合信號系統中采用這種方法是多線作戰。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。混合信號子系統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行許多任務。混合信號音頻子系統的示例如圖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。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的男一個優點是能夠處理模擬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，但它們常常超出規格。這些超出規格的電平通常比預期大得多，這可能會導致揚聲器損壞。混合信號音頻子系統可以將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成為在系統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并發送到基帶。或者，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提供從藍牙收發器到基帶的連接橋。如果需要，可以執行采樣率轉換，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連接到藍牙收發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送到揚聲器或耳機中。FM收音機信號在混合信號子系統中進行數字化并發送到藍牙耳機。基帶處理器可以將來自閃存的數字音頻通過混合信號子系統發送到耳機或放大器，如具有藍牙功能且能夠幫助實現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界標準。D類放大器的優勢在于輸出功率。高輸出功率的D類放大器能夠實現手機揚聲器達到響亮清晰的水準。在環境噪音較大的區域(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擁有高功率的D類放大器。例如，LM49352通常可用4.2v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)循環供電。這種PA循環頻率發生在音頻頻帶中，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。混合信號音頻子系統中一個最主要的特性是對這些噪音具有高抵抗力。混合信號音頻子系統的電源抑制比(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，且在較高頻率區域的保持高音頻質量。

高PsRR對系統具有巨大的價值。混合信號音頻子系統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本身能抑制噪音，因此不需要額外的低壓降穩壓器(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，即可節省能耗45％。雖然D類放大器在理論上將節省更多能源，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。雖然它實現了這些優點，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。混合信號子系統消除了從基帶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方法相比，混合信號音頻子系統具備許多無法比擬的優勢。這些優勢包括：節省空間、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，系統設計人員通過采用混合信號音頻子系統能夠節省大量時間。