移動(dòng)電話的低功耗和高音頻質(zhì)量設(shè)計(jì)方案

在今天的移動(dòng)電話市場(chǎng)中，無論是蘋果新推出來的iPhone，還是摩托羅拉、諾基亞和三星等領(lǐng)先制造商的相關(guān)產(chǎn)品，都顯示出了音樂回放和音頻品質(zhì)在移動(dòng)電話設(shè)計(jì)中的重要性。更高的音頻質(zhì)量和更大功率的揚(yáng)聲器，不僅要求系統(tǒng)帶有更先進(jìn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器，而且給以鋰電池為電源的設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，這需要?dú)W勝提出了采用“音頻中心(audio hub)”的設(shè)計(jì)思路，來幫助移動(dòng)電話設(shè)計(jì)師解決這些問題，并降低成本和簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

高品質(zhì)音頻的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
在傳統(tǒng)的移動(dòng)電話設(shè)計(jì)中，僅需要一個(gè)單聲道的揚(yáng)聲器來播放鈴聲，它可能每隔幾小時(shí)才需要播放幾秒鐘。但最新型號(hào)的多媒體移動(dòng)電話可能支持電影回放、移動(dòng)電視、游戲和其它多媒體功能，并在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中開始采用立體聲揚(yáng)聲器，所以系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要考慮音頻轉(zhuǎn)換器，而且還需要將低功耗技術(shù)與之實(shí)現(xiàn)結(jié)合。

但是，立體聲揚(yáng)聲器要求的電能是單聲道揚(yáng)聲器的兩倍，而且需要在一個(gè)很長的時(shí)間段內(nèi)一直保持工作狀態(tài)。一個(gè)持續(xù)10分鐘的電影片斷在立體聲揚(yáng)聲器上消耗的電池能量是10秒單聲道鈴聲的120倍?，F(xiàn)在的消費(fèi)者也在期望更高的音量，1W輸出功率的揚(yáng)聲器現(xiàn)在已是相當(dāng)?shù)湫偷囊?，而這對(duì)電池能量提出了更高的需求。

在手機(jī)上增加功能通常要增加電路，在手機(jī)體積不斷縮小的今天，這意味著留給電池的空間比以往任何時(shí)候都要小。由于要求在使用盡可能小的電池的同時(shí)在手機(jī)上增加更多的非常耗電的音頻特性，手機(jī)設(shè)計(jì)師不得不仔細(xì)地檢討手機(jī)上每一個(gè)耗電的原因和低效率問題，以在每一個(gè)可能的地方節(jié)省電池能量。這一對(duì)更長電池壽命的要求正在推動(dòng)采用D類功放技術(shù)的趨勢(shì)，D類功放能夠消除音頻電路中最大的低效率源。

不斷縮小的整機(jī)尺寸也正在推動(dòng)混合信號(hào)音頻功能的集成，但這一集成也帶來了新的挑戰(zhàn)，因?yàn)榧纫纳埔纛l質(zhì)量，又不能增加功耗或要求額外的外部元件(如穩(wěn)壓器或無源元件)。新一代‘音頻中心’器件正在逐步解決這一復(fù)雜的設(shè)計(jì)難題，同時(shí)解決了改善音頻質(zhì)量、將工作和待機(jī)模式時(shí)的功耗降到最低、并縮小PCB面積和元器件數(shù)量。

音頻中心應(yīng)運(yùn)而生
移動(dòng)電話等便攜式多媒體設(shè)備通常含有一些采用不同數(shù)據(jù)格式的模擬和數(shù)字音源，這些音頻流在通過不同的變換器(如小功率揚(yáng)聲器、大功率揚(yáng)聲器和耳機(jī))輸出到真實(shí)世界之前必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換和適當(dāng)?shù)幕旌?。為了?jié)省空間、削減成本和降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，將這些音頻處理功能全部集中到一個(gè)器件(即‘音頻中心’)上肯定是有益的。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)源也能以不同的數(shù)據(jù)格式、字長和樣本速率存在。由于電話使用模式通常僅要求音頻中心處理單聲道8kHz PCM格式數(shù)據(jù)，因此集成數(shù)字音樂回放功能要求音頻中心器件處理不同的樣本速率、字長和數(shù)據(jù)格式(如立體聲16位44.1kHz I2S數(shù)據(jù))。音頻中心上一個(gè)靈活的數(shù)字音頻接口和時(shí)鐘方案再加上Hi-Fi質(zhì)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，可使得在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字音樂播放功能不再需要額外的混合信號(hào)元件。

音頻中心必須能夠連接具有不同幅度、源阻抗、DC偏置和帶寬的模擬信號(hào)，如FM接收機(jī)、麥克風(fēng)、發(fā)送/接收語音數(shù)據(jù)、鈴聲或Hi-Fi線路輸入。靈活的輸入配置能夠?yàn)樵诓煌到y(tǒng)架構(gòu)中的這些不同信號(hào)特性提供支持，而且同時(shí)最小化引腳數(shù)、節(jié)省空間和降低成本。

在音頻中心的模擬域中混合能夠消除樣本速率轉(zhuǎn)換困難，而且靈活的混合通道能夠促成新的應(yīng)用特性的出現(xiàn)。像WM8983和WM8985這樣的器件允許對(duì)麥克風(fēng)輸入、數(shù)字音樂、FM接收器和接收的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行任意的混合，并提供重新數(shù)字化這一混合音頻的功能，這可促成如卡拉OK錄制等功能的實(shí)現(xiàn)。

音頻中心的節(jié)能電源設(shè)計(jì)
上述的信號(hào)鏈上針對(duì)各音頻功能的電源要求是音頻中心器件中最不同的，一般有3到4個(gè)獨(dú)立的電源域，每個(gè)域都有自己獨(dú)特的電壓/電流要求和噪聲特性。音頻中心器件需要進(jìn)行非常小心的設(shè)計(jì)才能在這些電源的不同局限下工作。在不犧牲音頻信號(hào)質(zhì)量的前提下將功耗降至最低，是在合理降低電池壽命的前提下為便攜式設(shè)計(jì)提供Hi-Fi質(zhì)量音樂的關(guān)鍵，每個(gè)電源域必須使用不同的省電技術(shù)。

由于降低數(shù)字部分電源電壓不會(huì)影響音頻質(zhì)量，數(shù)字內(nèi)核將采用盡可能低的電壓以節(jié)省電能。使用這些低電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器與線性穩(wěn)壓器相比可大幅提高功率轉(zhuǎn)換效率，DC/DC轉(zhuǎn)換器的高頻率開關(guān)引起的電源紋波可以更容易地采用數(shù)字電路來加以抑制，而一個(gè)模擬塊需要一個(gè)穩(wěn)定的電源電壓來使得噪聲水平盡可能地低。