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标题: 随时随地实现移动设备的高质量音频 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 21:50
标题: 随时随地实现移动设备的高质量音频
推动手机和平板电脑音频发展的重要交叉因素有两个，即：1.日益增加的产品差异化需求；2.更高的客户期望。智能手机和平板电脑原始设备制造商正在利用各个商用IC供应商的应用处理器和基带调制解调器（集成和组合）的各种组合，围绕芯片组搭建平台。因此，原始设备制造商不会像在规定和/或设计芯片组时所做的那样控制或区分功能组。如今，他们必须寻求其它方式创造差异化的移动用户体验，包括提供随时随地的音频体验。为实现这一目标，需要充分利用手机和平板电脑的扬声器，而众所周知，它们的音量很小。因此，就需要添加DSP声音处理（又名：音频后处理），消除噗噗声，并利用其它音频技巧，制造功耗低且不会产生不必要的继发影响（如电磁干扰等）的高输出（高音量）扬声器放大器；还需确定工程师用来提供更好的声音的一些重要参数、技术、趋势和创新手段。

手机公司利用商用芯片组时，需寻找新的途径，实现多样化的产品外观、手感、声音，及能让用户体验何种功能。对于声音来说，在不久之前，手机用户对音频性能的要求很低，因此，无论将何种放大器置入核心芯片组都不错。但是，随着市场上出现越来越多的创新型电话、平板电脑和应用程序，用户期望也迅速提高，其中也包括音频。用户希望随时随地享用音质良好的音频。

通过添加DSP声音处理（又名：音频后处理），可消除噗噗声，并利用其它音频技巧，能制造高输出（高音量）扬声器放大器。

音频工程是一件艺术性工作，因为声音是一种主观的个人体验，音频工程需要进行不断的权衡和判断。以下例子展示了音频工程师为给移动平台引入更好声音所运用的几种技术。每一种都值得深入探讨，但是我们仅做简单介绍，以回顾几个重要的问题、趋势和解决方案。

1.动态范围、信噪比（SNR）和总谐波失真加噪声（THD+N）

音频性能的经典衡量方式是信噪比或动态范围。如同产品性能的许多其它可比衡量方式一样，信噪比受“技术指标差距”的制约，而“技术指标差距”的不同解读方式被用来最好地定位产品，并非完全考虑客观纯度。为了提供更好的客观性，音频工程师协会（AES）为音频工程衡量创建了标准。总谐波失真加噪声是一种比单独总谐波失真更常用、更有用的衡量标准，因为能更准确地再现使用案例（即噪声物质）。将其带入公式即：总谐波失真+噪声=谐波功率+噪声功率总和除以总输出功率。注意，仅当测量时的失真水平一定时，输出功率才有意义。

图1 音频产品的动态范围

图1比较了从CD到专业音频等不同音频设备的动态范围。手机和平板电脑音频性能的推动力是赶超MP3播放器的动态范围（约100 dB），而如今的手机和平板电脑市场也正在实现这一目标。

2.麦克风和音频后处理

移动平台支持几个麦克风变得非常必要，因为DSP回音消除以及其它先进音频和语音处理都需要多个麦克风。差分麦克风输入被用于降低噪声、射频和串扰的发生。在移动音频系统中，麦克风、音频编解码器和DSP处理器共同来实现先进功能。智能机音频的提升正在往DSP这个战场集中，DSP回声消除、3D空间和其它音频功能利用多个麦克风为处理提供输入。一个简单的例子是需要至少两个麦克风，是为了将语音信号与背景噪声分开。一个麦克风听语音和背景噪声，另一个仅听背景噪声。DSP/编解码系统然后收到那些信号，减除噪声，以提供更清晰的语音信号。

使用数字麦克风（驻极体电容麦克风和微机电系统麦克风）代替模拟麦克风逐渐流行，受到移动原始设备制造商的推动，因为其数字痕迹对手机处理器和广播集成电路（如基带调制解调器）的噪声侵扰具有更好的免疫力。

3.减少噗噗声

噗噗噪声是音频中的经典问题，常常发生于音频输入开机、关机、静音或连接至不同负荷时，可能产生瞬变，可通过扬声器或耳机听到。减少噗噗声在移动应用程序中日渐重要，因为移动操作很自然会导致物体关机，以节省电力。当然，这意味着，应再将其打开，以创建开/关和关/开过渡，导致声音瞬变。在过去，减少噗噗声是通过外部电容解决的。但是，随着集成水平的提高，为了减少开支，提高性能，需要消减电容，提供创新芯片方法来减少噗噗声。

插入手机时，内外部麦克风之间的转换是噗噗声的另一个来源。这可通过提供插入检测电路进行管理。缓慢打开和关闭是抑制噗噗声的另一种方法。缓慢打开和关闭对于不具有隔直电容的音频驱动器来说非常有用，因为它可产生直流偏移电压。缓慢打开，正如其字面意思，斜变切换电阻，使得负载电压摆率慢慢提高，从而使噗噗声不会出现。一种方法是使用缓慢开启的集成音频开关。图2的飞兆缓慢开启音频开关展示了这一理念。此产品具有可调节（缓慢）打开和关闭，其范围为1毫秒~200毫秒。此图显示了100毫秒的设置。

特别是对移动设备来说，噗噗声设计诀窍变得非常关键，这是音频工程看起来像艺术的另一个原因，因为噗噗声的感知很主观，使得经验和一些小的技巧成为成功的重要部分。

4.动态范围控制（DRC）和扬声器保护

将家用立体声放大器声音（未）调高的人，会密切注意到扬声器过度驱动时的情况。你的耳朵将不得不忍受刺耳的失真声。另一方面，如果放大器不接近于扬声器的最大限度，扬声器便不会产生巨大声响。需要接近一条微线。一种方法是通过动态范围控制来控制放大器的增益，尝试优化音质，以在记录信号水平最大化时防止失真。这就像以前进行模拟录音时，你可以边观察录音机VU表（图3），边手动调整输入音量，以使指针在响亮通路时始终位于红色区域之外，并在安静期间提高音量，掩盖模拟录音机的偏差声音。

图2 缓慢打开/关闭时间

这字面意思即为手动动态范围压缩。如今，这可以通过集成电路自动完成，监控信号水平并提供反馈，以增加或减少增益。其结果是抑制声音范围（即高低水平和低高水平），使聆听者听到的声音更好。但是，小扬声器音量水平提高的同时，损坏风险也随之上升。因此，扬声器保护方法正变得日益重要。
扬声器可能会出现的一个最危险的现象是消波现象。放大器驱动超过扬声器限制时，消波就会发生，这会使信号看起来越来越像一个方波，而不是一般的音频信号。使用术语“消波”是因为其上部看起来削平了（图4）。

消波对扬声器来说很危险的原因是，信号开始削平时，更多的高次谐波就会产生，从而呈现超出扬声器能够承受的能量，造成永久破坏。移动音频放大器现在增添了防消波机制，以限制其输出，更好地匹配扬声器。最基本的防消波方法是设置增益，使其不高于利用自动增益控制（AGC）技术预设的水平。目前正在开发其它更加成熟的扬声器保护方法，主动监控扬声器状态，并将信息反馈给放大器，以保证操作安全。一些主动的扬声器保护方案可以利用放大器本身的小信号处理器进行信号分析。所有类型的扬声器保护，无论是主动的还是被动的，都可以使移动平台制造商更加简便地提供声音更大、更持久的音频，因此，扬声器保护将继续成为音频王国的关键事项。

5.噪声门限

某些移动音频放大器目前提供噪声门限功能。当信号低于指定水平时，噪声门限会使输出静音，就像老式的静噪抑制电路一样，减少系统中的广播、DAC和其它噪声（图5）。相对于音乐来说，噪声门限功能对语音更有用。根据设计，有时会运用介入和衰减参数控制并设置噪声门限。

图4 消波信号图5 噪声门限

6.均衡化

均衡器仅是一套运用于整个音频范围内频率范围窄片的音量控制器。五段均衡器特别适用于移动平台。均衡器可使系统设计者定制输出信号，以在特定环境中优化扬声器的性能。在高保真立体声早期，一般音频消费者开始知道均衡器。有人指出，一旦均衡器进行设置，负责房间内的特殊音响就都是“一次性”的。这是一个相似的案例；但是相对于房间，移动设计者更关心手机和平板电脑。其理念是使扬声器和最佳声学性能盒子相匹配。如果将扬声器塞入盒子中的非最佳位置（因为工业设计考虑因素，常常发生），均衡化就非常重要。芯片组内部编解码器或外部音频编解码器上的均衡器可为特殊的外壳（盒子）设置参数，从而改善产品的整体音质。均衡化可被视为一种重要的DSP功能，可使手机音质更佳。

7.D类放大器和降低电磁干扰

音频讨论最终似乎还得围绕类别之争理念—其含义是不同类别音频放大器的比较。让我们看看吧。D类对移动设备来讲是一种卓越的技术，因其效率相较于AB类好很多，但是D类的缺点是电磁干扰，而且其音质没有AB类的好。市场无形之手已经权衡了利弊，似乎D类对扬声器放大器来说更可接受，至少在目前是如此的。对于耳机来说，AB类、G类和H类仍然是普遍的选择，尽管D类有时也会用到。

D类的趋势是消除其内置脉宽宽度调制式转换架构产生的不必要的电磁干扰，这需要用不同的方法抑制电磁干扰。一种运用于脉宽宽度调制式系统（如D类）的抑制方法是扩频调制，其中输出桥转换频率围绕中心转换频率变化。随着频率随机变化，电磁能量更加广泛地散发，峰值辐射能量减少。

另一种减少电磁干扰的方法是边缘速率控制（ERC）。在D类产品中，高频率能量位于脉宽宽度调制式方波输出的边缘，因此更快的输出上升下降次数将产生更高的频率能量。减少边缘的锋利度，高频率能量就会减少。回顾一下，方波越完美（即越方），就会产生越多的谐波，因此，减少方波的完美度可降低产生辐射的高频率谐波成分。但是，这又会消耗更多的功率。同时，目前，我们应清楚改变方波的形状实际上是在破坏它，从而增加总谐波失真加噪声，尽管这时是故意为之。因此，在决定什么可接受时，需要进行权衡。我们可再一次见识到进行合适的权衡真的是良好音频工程艺术的一部分。

8.增强型扬声器放大器

移动音频的一个重要趋势是向声音更大的音频转换，这可通过高输出扬声器放大器来实现。高输出通过将直流-直流升压转换器适宜地添加至扬声器放大器IC上。D类内置升压放大器的一个很好的例子是飞兆FAB3103（图6）。

图6 D类升压扬声器放大器架构

添加直流/直流升压转换器对音频IC分区具有非常重要的影响，因为升压电路电压水平的原因，不适合集成到模拟移动基带或者音频编码I C内部。因此，更大声的需求已经开启了将音频放大器独立于编解码系统和模拟基带设备之外的趋势。

扬声器放大器目前的输出功率在1.7W~2.5W之间，还在增长，因为移动平台制造商称他们希望输出的声音尽量大。更高的输出驱动，当然意味着更多的功率消耗，这并不是移动平台制造商所希望的。所以，音频工程师正在寻找新的途径，重新运用老办法来降低功率。目前适用于D类的一种创新方法是借用G类的理念，即使用电源多路复用器。飞兆FAB3103是使用此技术的一种D类音频放大器。

9.新方向

移动音频进步的新领域是平板膜扬声器，甚至是将手机或平板电脑的外表作为扬声器。还有一种观点，是将云中流出的高清音乐分流。行业研究者称，移动音乐分流将使注册者数量从2011年的600万增加至2016年的1.6亿，综合年增长率高达95%.随着音频分流的迅速增长，手机和平板电脑硬件产品将需要配备音频IC，实现随时随地的移动音频体验。

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