在手机中实现高保真音频

2006-03-07

由于手机集成了更多的多媒体功能，其音频能力也必须提高或改进。虽然语音呼叫可依然使用单声道且保真度相对较低，但音乐和视频功能却需要使用更高的采样速率来实现高质量的立体声再现。这两个音频流是相互独立的，但由于两者共享同一个头戴耳机、喇叭或麦克风，所以它们必须能够无缝地协同工作。

同不带语音流的纯多媒体系统相比，这种带两套音频的系统复杂性大大提高。同时，在移动系统的印刷电路板空间、电功率、CPU周期和元件成本等方面，它与其它手机系统一样受到严格的限制。虽然把额外电路集成在现有的IC上所增加的占位面积相对较小，但这可能导致消耗的功率太大或增加的成本太多而令人难以接受。

另一个长期影响手机音频质量的问题就是干扰。由于RF电路以及数字IC发出电子噪声而且没有足够的空间使音频电路与这些噪声源保持较大的物理距离，难以使模拟信号保持“洁净”。

解决这些问题最好方法是“防”、“治”结合——防：精心设计电路板布局并采用差分连接，从而尽可能减小耦合在音频信号的噪声量；治：尽可能滤掉已经夹杂在信号中的噪声。

建议

* 以差分方式连接麦克风，从而消除噪声源在携带麦克风信号的电路板走线中感应出的电气噪声。这种方法在正负信号走线对称布置并相互接近时(每条走线中感应出的噪声相同)效果最好。这个技巧对于电容式麦克风(输出幅度低，对给定量的噪声信噪比偏小)尤为有用。

* 对语音信号和高保真音频信号使用由分离的A/D、D/A转换器和信号处理电路组成的双音频电路。这种方式可在节省语音处理功耗的同时保证高保真音频的质量。如果对这两类信号使用单个音频路径将需要做出不希望的折衷。另外，双音频IC也通常带有两个单独的音频接口，可以不必进行采样速率转换。

* 使用数字信号增强技术：比如，在录音路径上加入陷波滤波器以消除在GSM电话中由RF功放产生的频率为217Hz的突发噪声(burst noise)或其它窄带噪声；在回放路径上，使用高通滤波器来抑制风噪声和使用动态尖峰压缩技术来提高小型扩音器的可感测音量。实现这些功能最高效方法通常是使用专用硬件(如音频IC中的专用硬件)。

* 保证电源洁净。电源噪声将对所有模拟电路产生影响且常常是导致音频性能不佳的根本原因。

* 关注电源去耦。把合适的低ESR电容器放在手机音频IC的电源引脚附近，这可以使交流噪声短路。去耦也可以降低电源纹波。

* 在印刷电路板布局中分开模拟地层和数字地层并保证模拟信号走线远离数字或功率开关走线。

不建议

* 不要用软件转换音频流的采样速率。采样速率软转换会耗费CPU周期，造成功耗提高、处理速度减慢及系统响应速度变慢。可以使用原本就支持多速率采样的音频电路。设计可以使用锁相环为每个速率产生合适的时钟信号。符合AC97标准的音频编解器是另一种支持多速率采样且高功效的硬件方法。

* 当可以在硬件中完成时不要在软件中混合音频流。在模拟域，通常只需对现有的运放电路加入一个电阻就可以实现信号混合而不会额外增加功耗。当要对两个不同采样速率的信号流进行混合时，模拟混合可以回避采样速率转换问题。

* 在可以使用硬件中断时不要使用轮询程序。可以使用硬件中断让CPU无需处理诸如检测耳机插入等实时任务。

* 不要使用共享的电源轨，因为这样做电源噪声一定会泄漏到音频信号中，而这是很糟糕的事。

* 不要从电源直接向电容式麦克风提供偏置电压。由于偏置电压中的噪声在麦克风的前置放大器中被放大，它比在下游电路中产生的热噪声更加有害。相反，应使用专用偏置电压或低通滤波模拟电源。

* 不要以直流方式把语音信号耦合到麦克风的前置放大器中。加入合适的电容器将可以在语音信号进入麦克风的前置放大器之前削弱低频风噪声和处理噪声。这可以防止由于放大器输出饱和产生的“wump”噪声并减少对后续的滤波要求。

作者：Yan Goh

产品工程师