- A+
对于功能强大的智能手机来说，音频技术还有很多发挥空间。比如为手机通话功能添加强大的环境噪声消除技术、语音控制和音频人机交互创新应用，或是对高音质的产品进行大幅度的功率优化等。
【作者】孔文
对于音频芯片供应商来说，除了从消除噪音、回声等方面来提高通话音质外，用更复杂的音频处理方式来实现手机电话会议、在任何嘈杂环境中也能保证高质量音频通话效果、对耳机和扬声器进行音质优化以及不断降低音频处理功耗等是其工作的重心。
欧胜：瞄准高端音频差异化需求的五大创新
音频处理专家欧胜微电子已经不满足于停留在简单的噪声消除处理技术中，通过分析智能手机的未来发展和需求，该公司面向高端智能手机的应用规划了五大愿景。欧胜微电子全球应用工程总监Nick Roche指出这五大愿景对应了高端智能手机用户对音频的五大需求，分别为听、说、玩、创新和交互。
Roche表示这五大需求对音频技术的要求各不相同。“‘听’是指除了接听电话外，用户还需要使用手机的免提功能来顺畅地召开电话会议；‘说’是指手机能够将用户的语音清晰准确地传送到接听方；‘玩’包括了音视频播放与共享等需求，对扬声器的要求较高；‘创新’是指用户要求音频技术有所突破，比如高清音频和更高的环境噪音处理能力等；‘交互’则包含了新兴的音频应用技术，比如语音控制，或者利用麦克风来实现手势控制等。”他解释道。
根据这五大需求，欧胜分别推出了相应的音频处理技术。据Roche介绍，欧胜的全双工声学回声消除(AEC)技术对应了“听”的需求，该技术可以提升扬声器的品质及音频输出的性能，以确保免提和扬声器模式下清晰自然的语音对话。欧胜自动适配环境噪声消除 (ANC)技术、多麦克风传输路径(Tx)噪声消除技术、风噪声抑制技术、全双工免提通话技术以及动态均衡器技术等则对应了“说”的需求。“我们的音频处理技术不仅可以处理自己手机的背景噪音以送出清晰的声音，还可以用自己的手机处理接收路径的噪音以更好地听清楚对方的声音。”Roche说道。针对“玩”的需求，欧胜可提供更长的回放时间、高音/低音增强、5.1声道虚拟环绕音效、扬声器保护等技术，以实现更好的音效。在“创新”需求方面，欧胜的环境噪声抑制、多麦克风波束形成(beam forming)、数字录音增强以及立体声增强等技术可帮助手机实现高清音质。而“交互”需求方面，其方案可支持超声波麦克风和超声波手势控制等。
这其中，音频交互模式非常具有创新意义。Roche表示：“要实现超声波的侦测与控制，需要有高精度的ADC来支持，我们采用了取样率达192KHz的高质量ADC，然后通过侦测超声波的原理，用麦克风来获取手势所带来的高频信号，以达到用辨别位置和方向来控制手机部分功能的目的。”据悉该技术目前已经被用到交互式投影仪中，暂未在手机中被采用。但Roche认为该技术不久将会在智能手机、平板电脑和电子书等产品中被广泛采用。“尽管手机中的摄像头也可以用以实现手势交互，但这需要两个摄像头，因此会增加成本。如果是用音频实现手势互动，则可复用内置的用于噪音消除等功能的麦克风。此外，摄像头靠影像来进行手势识别，平面的性质决定了其无法识别手势的深度，而声波则可以实现深度的手势识别，这和医院B超的原理类似。” Roche说道。
在欧胜先进的噪声消除技术方面，传输路径噪声消除比较容易理解，而接收路径主动噪声消除技术则非常有特色。据介绍，欧胜主要采用两个步骤来实现接收路径的噪声消除。首先在手机背部靠近听筒的地方，有一个专门采样环境噪声的麦克风，该麦克风将采样到的人耳附近的噪声发送给处理器，然后处理器产生一个同样大小的反方向信号来中和这一噪声，随后安置在手机听筒旁(靠近人耳附近)的麦克风会将中和处理后传给人耳的声音反馈回处理器，处理器再根据这个反馈信号的清晰度情况来进行进一步的调整，以保证受话方能清晰听到主叫方的声音。“采样的麦克风也可以多用一两个以获得更好的采样效果。”Roche表示。
基于以上技术，欧胜最新推出了一款该公司目前集成度最高的音频系统级芯片WM5100。该芯片集成了欧胜多通道音频中枢(Audio Hub)、Tx和Rx噪声消除技术、ANC技术、多核可编程数字信号处理器(DSP)、部分电源管理 (PMIC)技术，以及用于语音交互的高精度ADC等。Roche指出：“WM5100可以实现我们面向高端智能手机应用所规划的五大愿景。该芯片不仅能帮助智能手机拥有高性能音频播放及通话性能，更重要的是还可以为手机厂商提供基于音频技术的差异化设计空间。此外，该产品还非常适用于正热门的平板电脑产品。”
飞兆：兼顾高音质与低功耗的整体解决方案
一项手机用户调查反馈显示，超过90%的受访者都表示音频品质是购买手机的一个主要考虑因素，这也成为原本以电源产品为核心的飞兆半导体开始以2009年收购便携音频公司为起点、潜心于音频技术研发的动力之一。
“音频部分的功率约占普通智能手机功率预算的12%，可见音频功率优化还有较大的空间。而就音频音质与功率的关系来看，提升音频音量和音质将从三个方面牵涉到功率设计：一是增加电池容量和体积；二是从其他功能部分借用功率预算；三是采用优秀的设计技巧以便最大限度地提高音频品质并减小对电池寿命的影响。飞兆选择从第三个角度入手来设计兼顾音频品质与功率的产品。” 飞兆半导体高级市场业务推广经理李文辉表示。
在进行音频产品研发的过程中，平衡各个性能参数是飞兆最为强调的。李文辉指出飞兆主要从三个方面来平衡性能参数。一是更响亮的音频；二是减小失真；三是更长电池寿命。“如果要更响亮的音频，通常会影响电池的寿命和提高失真；而如要简单地延长电池寿命，通常会影响音频的音量；对失真的控制则常常会影响到音质和电池寿命。寻求三者之间的平衡点是目前模拟设计中很大的技术挑战，同时也是我们最下功夫并取得一定成效的地方。” 李文辉解释道。他表示，通过对以上设计难点进行逐一攻克，目前该公司音频产品最突出的品质表现在具有更好的输出功率、更好的动态范围压缩、扬声器保护功能、改善了信噪比、失真控制和较好的功率管理。
在这些音频产品中，最先登台的是集成降压转换器的FAB1200立体声Class-G接地参考耳机放大器，以及带有立体声Class-G耳机放大器和1.2W Class-D单声道扬声器放大器的FAB2200音频子系统。“首批产品选择Class-G作为耳机放大器也是因为充分权衡音质和功耗的结果。由于耳机给人耳传递的声音很近很清晰，因此任何杂音都很容易被听出来，所以业界普遍的做法是采用音质效果非常好的Class-AB来实现，不足的是Class-AB功耗较大。
Class-G的音质类Class-AB，但由于它具有可根据音源的大小工作于不同工作电压的特点，因此较Class-AB更为节省功耗。采用Class-G的技术挑战在于在切换其工作电压时，容易产生干扰从而破坏音质，为此飞兆在抗噪、抗干扰方面下足了功夫。经过设计优化，我们为Class-G放大器设定了两组工作电压，分别为±1.25V和±1.8V。通过采用专利技术实现了快速的两路切换，使得其信噪比(SNR)达到了106dB，且耳机的电源抗干扰能力(PSR)也达到了94dB，扬声器的PSR值则为77dB。”李文辉介绍道。
FAB1200立体声耳机放大器带有能够生成负电源电压的充电泵，可让耳机以接地居中(ground-centered)输出且无需电容器，因此可省去两个外部电容器。该器件使用一个集成式感应降压调节器直接连接电池，并基于输出信号电平来调节两个不同电平之间的供电电压，从而降低功耗。
FAB2200是集成了一个无电容器立体声Class-G耳机放大器和一个Class-D扬声器放大器的音频子系统。该子系统采用飞兆专有的集成式充电泵生成多个供电轨，以提供接地居中的Class-G耳机输出。“相比同类采用Class-AB的方案，该产品能显著降低功耗，同时提供高电源抑制比。” 李文辉表示。在该子系统中，飞兆采用了无滤波器Class-D放大器，该放大器可以直接连接至扬声器，从而省去了两个外部滤波器电路，进而降低了系统的总成本。由于该器件还具有自动增益控制(AGC)功能，因此还可以限制扬声器的最大输出电平以保护扬声器，防止引入失真。此外，该器件还可以在电池电压下降时以动态的方式限制幅度。“目前采用FAB2200的智能手机已经开始出货，该系统也适用于平板电脑等产品。未来我们还将根据客户的需求，面向便携式应用推出更多的子系统产品。”李文辉表示。
（注：本文原文刊载于《集成电路应用》2011年第8期，转载请注明出处。）
