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SMART PA

智能功放

作者：王少

说起智能功放或“Smart PA（智能功率放大器） ” ，很多人应该都不会陌生，可到底什么是智能功放呢？今天小为就以 艾为的王牌Smart PA——艾为Digital Smart K 为例来给大家科普科普智能功放的方方面面。

早期，有人把带DSP模块（Digital Signal Process，数字信号处理）的数字功放（可以调试EQ、DRC、喇叭建模等功能）叫Smart PA，随着平台厂商如高通，MTK等芯片处理能力的加强，基于成本考虑，他们将功放DSP里的算法集成到平台的ADSP里，故该定义目前很少人提到，即带不带DSP都可以叫Smart PA。

目前对Smart PA的主流定义是：在PA信号输出端加入了I/V反馈，实时检测喇叭，从而让喇叭工作在其极限状态，最大限度地发挥喇叭性能，就叫Smart PA。

今天小为主要从以下四个方面分享对智能功放的一些看法：

一、智能功放模块介绍

二、喇叭保护方案及原理

三、SKTune音效算法

四、多PA应用方案

一、智能功放模块介绍

下面以艾为Digital Smart K产品AW88263为例，详细介绍智能功放的一些定义。

1. I2S信号：主流的I2S信号有4根线：BCK，WCK，DATAI，DATAO。

BCK： 串行时钟SCLK，也叫位始终（BCLK），对应数字音频的每一位数据，SCLK都有一个脉冲。SCLK的频率=2 * 采样频率 * 采样位深。

WCK： 帧时钟LRCK（也称WS），用于切换左右声道的数据。标准I2S格式时，LRCK为‘1’表示传输右声道数据，为“0”则是左声道。LRCK的频率 = 采样频率。

DATAI： 串行数据（SDATA），即平台或codec，把语音信号通过I2S传输给PA，PA内部处理后放大，转换成模拟信号驱动喇叭发声。

DATAO： PA输出端回传信号，即把PA输出信号，通过I2S，回传给到平台或codec，主要用于AEC（Acoustic Echo Cancellation，声学回声消除）。从该定义可以得知，若不需要信号回传，该引脚是可以直接NC的。

有时为了使系统间能够更好地同步，还有另外传输一个信号MCLK，称为主时钟，也叫系统时钟(Sys Clock)，是采样频率的256倍或384倍。不过目前该信号用得比较少。

I2S信号，都是从平台或者CODEC发出来，然后给到PA。故调试时，需要测量I2S的时钟频率（BCK，WCK），然后配置PA参数，才能让PA与CODEC实现“握手”动作，最终使PA正常工作。

2. IV检测：电压和电流检测模块。

电流检测： 在芯片输出脚，类似串一个小电阻，测量电阻两端压降，等到经过电阻的电流，即输出的电流I。

电压检测： 电压V检测有以下两种方式：

1）通过VSP/VSN引脚，测量喇叭两端电压

2）没有VSP/VSN引脚，在PA输出端VON/VOP，测量其电压

在实际操作中会依照客户的需求，选择适合的方案。

通过测量电压和电流，就可以得到实时阻抗，然后再根据温升系数，就可以得知实时温度，从而实现温度保护。（喇叭保护方案及原理详述）。

3. 带DSP和不带DSP的智能功放区别：

艾为定义： AW881或AW883系列，即第3个数字为奇数的，是带DSP的智能功放。 AW882或AW884系列，即第3个数字为偶数的，是不带DSP的智能功放。

那它们有什么区别？又该如何选择呢？

带DSP智能功放，就是把部分算法，如MEC（喇叭保护方案及原理详述）以及EQ，MBDRC等算法，放在PA的DSP里，主要适合一些不带ADSP平台如MTK 4G，展锐，RK或单片机等平台。

优点： 算法集成在PA的DSP里，简单易用，调试简单。

缺点： 集成了DSP，晶圆面积更大，价格相对于不带DSP的，会高一些。

不带DSP的功放，不带DSP模块，像上面所说的算法，集成于平台的ADSP（或叫OPEN DSP）。主要适合于高通，MTK 5G等带ADSP平台。

优点： 相对于带DSP功放，性价比更高。

缺点： 由于不带DSP，对平台有一定选择，需要支持ADSP功能，调试相对也复杂一点。

二、喇叭保护方案及原理

功放要发挥喇叭最大性能，就需要较高的功率去推动喇叭，那功放是如何保证喇叭在工作中不被损坏呢？

原来我们谈喇叭时，都是这个喇叭其额定功率多少瓦，喇叭工作时，其功率是不能超过额定功率的。这样虽然能很好地保护喇叭，却不能发挥喇叭的性能，特别是现在手机尺寸越来越薄，喇叭空间越来越小，若还按功率保护概念，喇叭效果最终发挥不出来，消费者的主观体验也不佳。

随着对喇叭的深入了解，发现喇叭所以会损坏，主要有两方面原因：

1）喇叭膜片振动过大，导致喇叭损坏

2）喇叭温度过高，导致喇叭损坏。

故我们从膜片振动（振膜保护）和喇叭过高（温度保护）入手，就可以实在保护喇叭目的，进而发挥喇叭最佳性能。艾为简称为MEC（Membrance Excursion Control）保护。MEC框架如下：

1. 振膜保护：

喇叭会发声，主要是膜片的振动。而振膜位移可以看做是洛沦兹力，弹簧弹力以及空气阻抗共同作用的结果。根据振膜位移的力学模型，我们得到如下公式：

根据牛顿第二定律，得到力学公式，对其进行求导：

再根据等效电路模型，如果参数不随振膜位移、温度等因素变化，把它看作是一个线性系统（通常振膜位移不大的情况下上述近似是成立的）。故整个系统可以用转移函数表示：

这样，我们就可以推导出振幅和电压，有一定的模型H（s）关系，而验证这个模型关系，就是建模的原理。根据喇叭振幅模型，预测喇叭振膜位移，并计算相应的实时增益，保护喇叭振幅工作在安全范围内。

2. 温度保护，主要有两种方式：

1）常规的功率保护方案： 由于喇叭发热，是需要一定时间的功率，才可能发热。功放直接检测其输出电压V，并控制输出功率，从而实现喇叭温度保护目的。

2）IV检测保护方案： 喇叭发热时，其阻抗会发生变化，通过IV检测阻抗值，结合喇叭线圈的温升系数Tcoef，就可以得到喇叭实时温度，从而实现喇叭温度保护。

如下公式：

产线上，对喇叭进行校准，得到此时初始阻抗 R 25

在平时正常播放音乐中，实时检测喇叭阻抗 R T

通过检测实时阻抗和初始阻抗，根据上面的计算公式，就可以得到实时温度，并调整PA增益，实现温度保护。

三、SKTune音效算法

一个好的功放，若只是能保护喇叭，是没有灵魂的。而艾为SKTune算法，就是给声音加上灵魂。

艾为SKTune“神仙算法”是一套完备的“音频全流程解决方案”，包含了艾为音效算法和喇叭保护算法，这是艾为电子贴合海内外市场高端顶级产品需求研发的重要成果，旨在为用户带来极致听音体验。

早在2017年，艾为就发布了第一代神仙算法，包含了调音的基础模块；在第二代神仙算法中，除了对基础模块持续优化外，还引入了立体声混音算法及MEC算法，链路灵活性进一步提升。基于大量项目的经验，艾为新推出更加细节感十足的SKTuneV5。SKTuneV5更加关注细节，拥有多段虚拟声学算法、新一代钢琴杂音抑制算法、Awinic Sound Enhancement特色处理模块、新一代振膜位移保护及新一代温度保护算法。同时，其UI界面更加可视化，方便Tuning。

以下为SKTune的模块：