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当手机不断地整合包括照相游戏数据视频等各种功能于一身时它已摇身变成一个多媒体应用的播放平台可说是朝细致而微的随身型迷你计算机发展 在定位上这样的手机有别于既有的纯粹语音的手机(Voice phone)或具备某些功能的手机(Feature phone)而当属于智能型手机(Smart phone) 智能型手机除了具有较强的数据编辑管理能力更能提供音视频游戏等多媒体应用服务也能同时处理多项工作更进一步来看它的功能面涵盖了通信信息与多媒体功能即 通信功能语音讯息(messaging)认证(Authentication)计费(Billing)等等通信处理功能 信息功能Email行事历信息管理Sync安全性等信息处理功能 多媒体功能视频照相游戏TV串流音乐DRM等多媒体应用功能 除了信息功能外在通信与多媒体的应用上音频是必要的处理任务在过去手机只需要处理单纯的语音通话信号但今日的智能型手机中得处理的音频任务繁重除了多音调振铃MP音乐外可能还要有FM广播及游戏音效而且不能只是单声道的效果现在要求的是立体声的临场感体验 过去数字音频的世界是截然两分的一边是HiFi的世界另一边则是语音的世界一般而言HiFi是指bit立体声质量以kHz取样的音频也就是CD音乐的规格电话语音则是bit和kHz的单声道(mono)低质量音频不过进入智能型手机的时代两个音频世界开始撞击在一起了如何将音频子系统完善地与应用及通信处理平台整合在一起就成了便携式设备工程师开发新产品时的关键性挑战 音频编码格式与接口 在进入系统架构的探讨前先来看看音频编码的现状目前音频编码的格式繁多针对声音的编码就有PCMADPCMDMPWMWMAOGGAMRACCMPPro以及MP等针对人类语音有LPCCELP与ACELP等其它还有MPEGMPEGHVC等视听节目的编码格式手机多媒体格式的市场趋势请参考(图) 图 手机多媒体格式的应用市场趋势 以下介绍三种常用的音频格式 AMR格式 AMR为自适应多码率语音传输编译码器(Adpative MultiRate Speech Codec)最初版是欧洲电信标准化协会(ETSI)为GMS系统所制定的语音编译码标准而因频宽又分为两种—AMRNB(AMR Narrowband)和AMRWB(AMR Wideband)以市场最大品牌Nokia来说其多数手机都支持上述两种格式的音频文件 MP格式 MP是MPEG AudioLayer的缩写这是一种音频压缩技术其编码具有::的高压缩率可以保持低频部分不失真但牺牲了音频中KHz KHz的高频部份来降低文件大小其mp格式文件一般只有wav的%另外MP受到欢迎的一大原因是它并非受到版权保护的技术所以任何人都可以使用 MP格式压缩音乐的取样频率有很多种可以用kbps或更低的编码来节省空间亦可以用到kbps达到极高的压缩音质MP在编码速率上又分为CBR(固定编码)与及VBR(可变码率)技术有些手机无法播放下载来的音乐正是因为没有支持VBR格式的MP音乐 AAC格式 AAC即高级音频编码(Advanced Audio Coding)它采用的运算方式是与MP不同AAC可以同时支持多达个音轨个低频音轨更多种取样率和传输率具有多种言语的兼容能力以及更高的解码效率总结来说AAC可以在比MP格式再缩小%的条件下提供更好的音质而且声音保真度好更接近原音所以被手机界视为是最佳的音频编码格式AAC是一个大家族他们是共分为种规格以适应不同场合的需要 () MPEGAAC LC 低复杂度规格 (Low Complexity) () MPEG AAC Main 主规格 () MPEG AAC SSR 可变取样率规格 (Scaleable Sample Rate) () MPEG AAC LC低复杂度规格(LowComplexity)现在的手机比较常见的MP档中的音频部份就包括了该规格音频文件 () MPEGAAC Main 主规格 () MPEG AAC SSR 可变取样率规格 (Scaleable Sample Rate) () MPEG AAC LTP长时期预测规格(Long Term Prediction) () MPEG AAC LD低延迟规格(Low Delay) () MPEG AAC HE高效率规格(High Efficiency) 上述的规格中主规格(Main)包含了增益控制以外的全部功能 其音质是最好而低复杂度规格(LC)则是比较简单没有了增益控制但提高了编码效率至于SSR与LC规格大致相同但是多了增益的控制功能另外LTP/LD/HE都是用在低码率下的编码其中HE采用NeroACC编码器支持是近来常用的一种编码率方式不过一般来说Main规格和LC规格的音质相差不大因此考虑手机目前的内存仍有限的情况下目前使用最多的AAC规格是LC规格 音频接口 音频接口是智能型手机设计者需考虑的重要议题数字语音一般采用PCM(Pulse Code Modulation)接口而HiFi立体声则采用串行IS(InterIC Sound)接口或AC接口IS是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准是目前消费性音频产品中常用的接口AC?则是英特尔公司用于提升个人计算机音效降低噪音的规格由于在年制订因此称为AC 在计算机的音频需求上基本上与消费性市场相似但为了要能播放不同取样速率(kHzkHzkHz)下录音的音乐文件所以需要有更有效率和便宜的解决方案而AC就具有这样的特性在广义的手持式设备市场中三种格式各有其拥护者CDMDMP随身听会采用IS接口移动电话会采用PCM接口具音频功能的PDA则使用和PC一样的AC编码格式 音频系统整合策略 在较早的系统中通常是将电话与PDA的电路并排放在这个设备外壳内其中PCM语音编译码由通信处理器来控制HiFi立体声(AC?或IS)的处理则连到另一颗应用处理器在此架构中两个音频子系统之间的整合性还很低分布式的硬件切换电路除了较占空间需要额外的外围组件来做信号交换和混音外也会带来谐波失真(harmonic distortion)等的问题请参考(图) 因此为特定应用而量身定制一套整合性的解决方案是较理想的作法在SoC的技术趋势下已有一些厂商将立体声数字模拟转换器(DAC)或编译码器(CODEC)整合到特定功能的IC当中不过有些功能适合整合在一起有些则可能得到反效果 举例来说当厂商将电源管理和音频处理功能整合在一起时通常得在音质的部分做妥协因为电源稳压器(regulator)所产生的噪音会干扰到附近的音频路径若将音频功能整合到数字IC中也有困难因为对于HiFi的组件来说需要用到mm的工艺来让混合讯号处理得到最佳化效能但目前数字逻辑方面的应用已朝mm以下的更高工艺发展以上述两种整合性的芯片策略来说要让两种不同的电路同时存在于一个芯片当中其最终的芯片尺寸可能也会大到难以接受 此外扬声器功率放大机(loudspeaker amplifier)特别难被整合它所产生的热是一个问题需要做散热处理因此往往需要另一颗独立的扬声器驱动IC还有一个整合上的常见问题也就是为了让IC尽量做到最小化可能会产生模拟输入或输出接脚数目不足的问题 专属的音频IC可避免这些问题而音频整合有好几种方法可以达成共享ADC和DAC能减少硬件成本但却不能同时播放或录制两种音频流格式为个别功能安排专用的转换器(converter)可以解决这个问题不过此一作法会增加芯片成本折中的作法是只共享ADC的部分但有独立的DAC这样做的话当电话通信在进行时也同时可以播放其它音频(如播放另一通电话的铃声或播放音乐)但在通信时不能同时进行录音ADC的耗电可以通过关掉一种功能而以较低取样速率的方式来加以控制 此外音频系统也可以有不同的作法当语音CODEC被整合在通信芯片组中时搭配另一颗具有额外模拟输入输出和内部混音的HiFi CODEC是恰当的作法在另一种情况下一个具有直接连结无线耳机功能(如蓝芽)的专属PCM接口的双CODEC也有其使用上的好处 以下针对音频系统中的几个重要组成进行规划上的分析 频率与接口 共享通信与应用子系统的内部电路虽然可行但对于接口来说并非如此因为不同的音频应用得在独立的频率区域中以自己的频率来运作只要情况仍是如此整合性智能型手机的CODEC就需要同时有PCM接口和独立的IS或AC连结接口 在非移动性的设备(如PC)中音频频率通常由一个石英振蕩器(crystal oscillator)来产生但在智能型手机的设计中为了避免额外的耗电板面空间和频率芯片的成本设计者偏向于将HiFi音频所需的频率功能从既有的频率中独立出来由于低耗电低噪音的锁相回路(PLL)能被以相对较低成本整合到混合讯号芯片当中所以今日芯片厂商的作法是将一颗或两颗PLL整合到他们的智能型手机CODEC中 麦克风 在智能型手机中最难的设计议题往往与麦克风(Mic)有关一般来说至少有两个麦克风需要考虑一是内建的内部麦克风和插入耳机(headset)的外部麦克风此外可能还会有用于噪音消除(noise cancellation)或立体声录音的额外内部麦克风以及车用免提功能所需要的另一个外部麦克风除了讲话外这些麦克风也能透过应用处理器的控制来录制语音短讯或视频短片中的音效 若要由音频CODEC芯片来涵盖各种切换功能此芯片的电路需要做好妥善的设计除了录音功能CODEC也应提供侧音(side tone)的功能这样一来耳机用户也能听到自己的声音插入侦测功能则能提供无缝的切换功能也就是当耳机插入或拔出时系统会自动转换使用内部或外部的耳机 人声(acoustic)的噪噪音消除是另一个问题它需要用到两个麦克风一个同时接收讲话的声音和背景噪音另一个则只接收背景噪音模拟的作法往往不足够因此需要透过数字信号处理来加强而音频CODEC需达成两个麦克风讯号的数字化任务 另一个问题是室外风声噪印的问题它的频率通常低于Hz因此透过高通(highpass)滤波器就能处理掉但这样一来在室内录音时就少了低频部分的声音对于两用的麦克风来说这个过滤器应该是可选用的但很多的音频ADC中都已内建了这颗highpass滤波器因此手机厂商应针对需求选择合用的解决方案 外接耳机 手机外接耳机(headset/headphone)的使用也需要特殊的模拟电路也就是当耳机插入时音频输出信号就能绕径到耳机上头虽然整合机械性开关的插槽(socket)能够满足此要求但它的尺寸过大且昂贵此外扬声器的音量大小可能也不适合这个耳机为内部与外部音频提供独立的音量控制可以解决此问题而且也能使用较简单的插槽设计这一外接耳机是否具有麦克风也需要被侦测出来这可以通过是否感测到偏流(bias current)来分辨如果没有电流流动那就表示没有麦克风被插入智能型手机的音频CODEC中应加入这一电流传感器进而能因应不同情况达成音频输入输出的处理 扬声器 智能电话在先后增加了多音调振铃MP播放及FM广播等功能后其播音系统也朝向立体声扬声器来发展在手机扬声器的设计上主要的问题是配置架构功率与耗电性的考虑 若要支持立体声手机需要有两个外部扬声器但由于手机体积太小这两个扬声器的位置难以拉开所以立体声的效果不易展现这时就需要采用特殊的D效果处理若是要支持免持听筒的功能那就需要连结到另一个较大的扬声器上为个别扬声器提供专属的模拟输出是最好的方式但电源管理上必须有相应改变 由于扬声器功率放大器会用掉大量的供电当它们不使用时关掉电源是很重要的智能型手机的音频CODEC能提供一些电源管理功能为个别扬声器的输出做好开关管理这样一来能避免不需要的电源消耗此外系统电源管理方案中的电压稳压器通常无法为扬声器提供达到最大音量所需的功率因此CODEC芯片厂商采用加入芯片内扬声器的作法也就是直接通过电池来驱动扬声器这样做虽然不见得能降低耗电但它也省下了对额外电压稳压器的需求 铃声 近几年来手机铃声愈来愈复杂从单纯的响铃到和弦铃声再到各种声音都能制作成立体声的WAV和MP格式MIDI已成了和弦铃声的标准格式很多厂商为这一应用推出专属的低耗电MIDI芯片要在音频次系统中整合MIDI芯片CODEC上需要有额外的模拟输入 这些额外的输入对于FM收音机IC的连结也是有用的能为多媒体应用提供附加功能MIDI音频的产生当然也能由音频CODEC来产生但现今市场的趋势是以特殊的铃声文件来储存并通过现存的HiFi DAC来播放欠缺MIDI软件库的CODEC芯片厂商并不会积极去做这件事情 结语 智能型手机的下一步会如何？就HiFi的立体声来说俨然已是必备的系统功能至于IS与AC在手机音频系统上的竞争仍然会继续下去有些人喜欢较单纯的IS界面但也有人更中意低引脚数和很容易可跑不同取样速率的AC以智能型手机来说目前多数低耗电的处理器对两种规格都支持看来两者还是会并存下去不过对于CODEC的厂商来说要同时支持两项规格是比较困难的因为AC的VRA(variable rate audio)功能需要和IS不同的频率架构也需要多出许多额外的数字电路才能做到 不过智能型手机还会不会如PC世界一样从立体声走向多声道的环绕音效格式(Intel的Azalia)呢？在近期内还看不出这样的可能性因为今日的多声道效果虽然很炫但芯片的成本和耗电性都还太高这不是手机世界所能接受的但今日否定的答案在未来的电子世界仍存在很大的变量没有人能说得准的 |
