中心議題：
- 采用WM8994設(shè)計(jì)智能手機(jī)的十大訣竅
- 采用WM8994將大幅改善音頻性能
- 經(jīng)得起未來(lái)檢驗(yàn)的音頻性能
解決方案：
- WM8994采用以調(diào)制解調(diào)器為應(yīng)用中心
- 音頻中心(Hub)解決方案
如今，智能手機(jī)中以應(yīng)用為中心的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為主流趨勢(shì)，同時(shí)這類設(shè)計(jì)中的外設(shè)功能如各種調(diào)制解調(diào)器已經(jīng)被卸載到各種獨(dú)立的芯片組中。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因有許多，一部分是由于激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)所致，包括那種希望通過(guò)領(lǐng)先性能來(lái)實(shí)現(xiàn)差異化，還有手機(jī)制造商方面所面臨的快速上市壓力，以及與多媒體技術(shù)和無(wú)線芯片組領(lǐng)域里不同的技術(shù)發(fā)展思路交織在一起。
對(duì)各種應(yīng)用處理器“功能驅(qū)動(dòng)”的創(chuàng)新來(lái)說(shuō)，其趨勢(shì)往往是偏離了“標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)”的發(fā)展道路，而偏向于無(wú)線通信芯片組的開(kāi)發(fā)潮流。這些領(lǐng)域里所需的核心能力是有所不同的：藍(lán)牙、蜂窩或Wi-Fi芯片組需要滿足各自的規(guī)范，同時(shí)要求成本最低，而且功耗也要有競(jìng)爭(zhēng)力；此外，為了應(yīng)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)，應(yīng)用處理器需要在其數(shù)字功能和性能上實(shí)現(xiàn)很大程度的差異化。日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)把單芯片解決方案提供商的能力發(fā)揮到了極限，要想在器件功能的所有方面都能夠維持其領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)已經(jīng)是不再切合實(shí)際了。如今，成本和上市時(shí)間方面的壓力正在驅(qū)使業(yè)界開(kāi)發(fā)具有更有效分工的解決方案，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這樣做無(wú)論是對(duì)芯片設(shè)計(jì)師還是對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)都是有利的，因?yàn)檫@可使芯片組提供商將精力集中在他們做得最好的地方，并在系統(tǒng)中消除許多浪費(fèi)成本的重復(fù)功能。
過(guò)去，這些外設(shè)功能通常是集成在一些應(yīng)用處理器或調(diào)制解調(diào)器中，其目的是為了通過(guò)集成來(lái)增值。由于時(shí)間和成本方面的壓力，使得它們的實(shí)現(xiàn)方案常常不盡如人意，特別是那些需要專業(yè)技能的地方。長(zhǎng)期以來(lái)，音頻是過(guò)度集成的受害者，音頻功能的實(shí)現(xiàn)不但重復(fù)而且質(zhì)量較差，原因在于音頻的實(shí)現(xiàn)都是依賴于兩個(gè)或者更多的芯片組，再加上由系統(tǒng)集成商外加的一大堆“補(bǔ)丁”器件，由此來(lái)支持他們終端產(chǎn)品所需的混音、切換、爆破音和咔嗒噪音抑制以及功率放大。
歐勝微電子推出的音頻中心編碼解碼器WM8994充分利用了最新的、以應(yīng)用為中心的調(diào)制解調(diào)器架構(gòu)，這種架構(gòu)整合了所有的混合信號(hào)音頻功能，可確保選用低成本的處理器來(lái)成功實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，以及保證各種數(shù)據(jù)來(lái)源的音頻信號(hào)通路特性的一致(圖1)。
圖1：WM8994采用以應(yīng)用為中心的調(diào)制解調(diào)器架構(gòu)。
WM8994中集成了多種的模擬和數(shù)字I/O，目的是為了驅(qū)動(dòng)手機(jī)中所有類型的音頻換能器，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)與各種處理器之間的接口連接，例如用來(lái)處理藍(lán)牙收發(fā)器、FM調(diào)頻收音機(jī)、蜂窩調(diào)制解調(diào)器以及應(yīng)用處理器等。如此高水平的音頻集成，在為手機(jī)帶來(lái)靈活性、一致性以及高性能等好處的同時(shí)，在設(shè)計(jì)階段只需要投入很少的規(guī)劃，即可最有效地發(fā)揮系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于絕大多數(shù)混合信號(hào)系統(tǒng)，應(yīng)關(guān)注時(shí)鐘方案和系統(tǒng)噪聲的良好控制，再加上采用好的電源、接地方案和一個(gè)低噪聲基準(zhǔn)，這樣就能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的系統(tǒng)性能。不過(guò)，對(duì)于復(fù)雜的音頻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除此之外還有許多其他方面的挑戰(zhàn)。下面的設(shè)計(jì)技巧將告訴設(shè)計(jì)工程師如何在挑戰(zhàn)性極強(qiáng)的智能手機(jī)環(huán)境中充分發(fā)揮WM8994的優(yōu)勢(shì)。
采用WM8994設(shè)計(jì)智能手機(jī)的十大訣竅
1．提前規(guī)劃音頻應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)于每一種應(yīng)用，首先要搞清楚究竟都有哪些芯片組會(huì)啟動(dòng)，然后要搞清楚信號(hào)具體從哪里來(lái)，又要到哪里去？同時(shí)最高效的傳輸路徑是什么？在音頻流傳輸?shù)倪^(guò)程中必須要考慮到一些意外的事件發(fā)生。例如，當(dāng)一個(gè)特定的音頻通道激活的時(shí)候，如果發(fā)生某個(gè)事件，結(jié)果將會(huì)是什么？該通道應(yīng)該是被中止？衰減？與別的某種聲音混合？或者是重新尋找其他傳輸路徑？實(shí)際上會(huì)有多少這類的小型應(yīng)用會(huì)同時(shí)運(yùn)行？
2．要為關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景勾勒出音頻時(shí)鐘方案，然后也要為那些邊角應(yīng)用擬出時(shí)鐘方案。從“慣例”上來(lái)看，今天的邊緣應(yīng)用就可能是明日的“必備”功能。要確保各個(gè)鎖相環(huán)(FLL)、時(shí)鐘分配器和音頻接口都配置妥當(dāng)，使得處理器中的存儲(chǔ)緩沖器不會(huì)因?yàn)榉亲罴雅渲枚^(guò)滿或過(guò)空。由于WM8994中有足夠強(qiáng)大的時(shí)鐘可編程能力，因此能夠覆蓋絕大多數(shù)的場(chǎng)景；但值得考慮的問(wèn)題是，F(xiàn)LL基準(zhǔn)時(shí)鐘應(yīng)當(dāng)來(lái)自每個(gè)應(yīng)用的什么地方？究竟哪一個(gè)端口應(yīng)該被配置成操作主模式？通過(guò)多個(gè)時(shí)鐘輸入引腳中的一個(gè)來(lái)連接到始終喚醒的32KHz時(shí)鐘，就能夠在許多情況下實(shí)現(xiàn)功率節(jié)省，特別是在需要一個(gè)時(shí)鐘對(duì)GPIO輸入進(jìn)行去抖動(dòng)的待機(jī)模式，或者是在簡(jiǎn)單的低功率音樂(lè)回放模式中。利用音頻接口位時(shí)鐘和幀時(shí)鐘作為FLL的基準(zhǔn)輸入，就不再需要另外的高頻主時(shí)鐘輸入，從而實(shí)現(xiàn)了功率節(jié)省。
WM8994的采樣率轉(zhuǎn)換器允許該器件在兩個(gè)彼此完全獨(dú)立的時(shí)鐘域內(nèi)工作，支持音頻混合和發(fā)送(路由)跨越這些時(shí)鐘邊界。由于器件的采樣率轉(zhuǎn)換器工作在兩個(gè)全雙工通道中的最大的一個(gè)上，因此，當(dāng)采樣率轉(zhuǎn)換器連接到音頻接口2和/或音頻接口3上時(shí)，幾乎沒(méi)有什么限制，而音頻接口2和3通常是連接到幾乎很少需要多于一個(gè)或兩個(gè)并發(fā)通道的無(wú)線芯片組的接口。
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3．不用擔(dān)心采用D類工作模式的喇叭放大器。這種模式的放大器所節(jié)省的功耗是非常多的，所節(jié)省的功耗通常可以達(dá)到幾十甚至幾百毫瓦。隨著更多采用立體聲喇叭的手機(jī)出現(xiàn)在市場(chǎng)上，節(jié)省的功耗自然會(huì)翻倍。設(shè)想一下，如果所節(jié)省的功率預(yù)算能夠用于系統(tǒng)中其他的功能，對(duì)于那些對(duì)D類放大技術(shù)不太熟悉的工程師來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)手冊(cè)都給出了有關(guān)各方面的具體建議，包括電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)、如何選用喇叭、如何提高效率以及如何實(shí)現(xiàn)最佳的電路板設(shè)計(jì)。在早期的手機(jī)設(shè)計(jì)中，人們通常比較關(guān)注EMC；而如今，設(shè)計(jì)工程師則往往關(guān)注熱設(shè)計(jì)，因?yàn)閷?shí)際上在某些案例中，熱耗散對(duì)手機(jī)性能的約束更大。于是設(shè)計(jì)工程師們開(kāi)始對(duì)電源利用效率予以更多的關(guān)注。D類放大器具有更高的效率，因而減小了喇叭放大器所用電源上的電流浪涌，這種浪涌會(huì)引起電池電壓的下降以及系統(tǒng)更早停止工作，并縮短電池壽命，尤其是這種浪涌與系統(tǒng)中其他的電流浪涌一起出現(xiàn)時(shí)，上述問(wèn)題將更加嚴(yán)重。電池壓降幅度的減小將有助于降低高信號(hào)電平上的失真，而在有的場(chǎng)合還將提供更大的空間來(lái)提高喇叭的最大輸出信號(hào)。
4．在可能的地方，都應(yīng)該用數(shù)字連接來(lái)替代到調(diào)制解調(diào)器的模擬連接。盡管WM8994也能夠支持模擬語(yǔ)音數(shù)據(jù)通道，不過(guò)這種模擬方案會(huì)占用更多的系統(tǒng)級(jí)功耗，從而更容易遭受串?dāng)_侵害，這在很多情況下會(huì)導(dǎo)致PCB返工，并且會(huì)增加由信號(hào)通道上無(wú)源元器件的額外成本及電路板面積開(kāi)銷(圖2)。
圖2：采用WM8994將大幅改善音頻性能。
例如，當(dāng)在編解碼器與調(diào)制解調(diào)器之間利用脈沖編碼調(diào)制(PCM)鏈路來(lái)傳送一個(gè)有線耳機(jī)的語(yǔ)音呼叫時(shí)，如果連接到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，將會(huì)支持在耳機(jī)輸出來(lái)激活W類模式，這將使編解碼器節(jié)省功耗；同樣還通過(guò)關(guān)閉通常功耗較大的內(nèi)置DAC，也能使調(diào)制解調(diào)器節(jié)省功耗。在一個(gè)聽(tīng)筒呼叫或者免提模式下，利用數(shù)字連接，還允許喇叭調(diào)諧采用集成式參數(shù)均衡(EQ)，而且EQ設(shè)置的控制只需要通過(guò)一個(gè)器件(通常是應(yīng)用處理器)即可實(shí)現(xiàn)，而非依賴于兩個(gè)或三個(gè)處理器來(lái)重復(fù)相同的調(diào)諧功能。
5．在可能的地方，應(yīng)該在系統(tǒng)級(jí)而非在器件級(jí)考慮數(shù)字麥克風(fēng)的好處。摒棄過(guò)長(zhǎng)的模擬麥克風(fēng)連線，有助于減少成本并節(jié)省空間。如今，為了降低噪音，麥克風(fēng)陣列正在普遍被采用，而隨著手機(jī)麥克風(fēng)數(shù)量的增加，在眾多麥克風(fēng)信號(hào)通道的布線中，其中某個(gè)通道靠近噪聲源的可能性很高。盡管通過(guò)差分連接和精心布線可以改善噪聲的免疫能力，但在信號(hào)通道中對(duì)高質(zhì)量電容器的需量卻高達(dá)一倍。利用數(shù)字連接將能夠改善噪聲免疫能力，為此，WM8994提供多達(dá)4個(gè)的數(shù)字麥克風(fēng)通道。必須注意，為了獲取最佳性能，在采用麥克風(fēng)陣列時(shí)，選用具有最佳匹配特性的麥克風(fēng)是至關(guān)重要的。
6．要確保將應(yīng)用處理器的串行接口連接到WM8994，這樣能夠支持所有各種音頻應(yīng)用所需的最高采樣率。另外，還需檢查支持像麥克風(fēng)陣列處理或多路并發(fā)音頻數(shù)字流處理這類大處理量所需的TDM通道的數(shù)量。
7．應(yīng)選擇一個(gè)有效的電源管理架構(gòu)。實(shí)際上WM8994只需要兩個(gè)外部電源電壓。通常，一個(gè)是直接連接到電池，而另一個(gè)則是連接到1.8V電源上。由于1.8V的電源為電荷泵供電，進(jìn)而為參考電平為地電平的耳機(jī)放大器供電，因此，對(duì)于該電源，最好是采用一個(gè)高效率的開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)器，例如，可以用一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)供電，以確保耳機(jī)的低功耗性能不受到影響。
8．在為聽(tīng)筒和有線耳機(jī)聽(tīng)筒設(shè)置語(yǔ)音呼叫時(shí)，在可能的地方，盡可能采用數(shù)字側(cè)音特性；與模擬側(cè)音相比，該數(shù)字通道的風(fēng)噪聲濾波和低延遲能夠提供更為自然的環(huán)繞側(cè)音。而在模擬側(cè)音中，包含有容易令人分心的低頻機(jī)械性分量和風(fēng)噪聲分量，或者在基帶處理器中利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)側(cè)音，這樣會(huì)引入一些延遲，導(dǎo)致聽(tīng)起來(lái)聲音有一些變化。
9．在耳機(jī)輸出通道中請(qǐng)采用模擬音量控制，或者說(shuō)至少在低于滿量程以下的初始幾個(gè)分貝的范圍內(nèi)使用模擬音量控制。對(duì)于噪聲性能的改善來(lái)講，這樣做可能帶來(lái)額外4個(gè)分貝的收益，這對(duì)于如今的高靈敏度耳麥來(lái)說(shuō)可是無(wú)價(jià)之寶。由于近年來(lái)耳機(jī)的聲學(xué)效率有了大幅提高，因而對(duì)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)的信噪比性能和耳機(jī)放大器的噪聲性能方面的要求更加苛刻了；如果DAC中的信噪比性能不足的話，在使用耳麥時(shí)就會(huì)導(dǎo)致發(fā)出可聽(tīng)見(jiàn)的音調(diào)或者“嘶嘶”聲。如果采用模擬音量控制的話，WM8994能夠?yàn)樨?fù)載提供高達(dá)100dB的信噪比，這將使得耳機(jī)上的噪聲額外降低4dB。典型情況下，比起市場(chǎng)上的許多編解碼器，該方案所提供的噪聲性能改善可以高達(dá)10dB。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，通過(guò)這個(gè)改善可以明顯地感受到的區(qū)別就是能夠直接聽(tīng)到噪聲與根本聽(tīng)不見(jiàn)噪聲的巨大差別。
10．需要仔細(xì)地為耳機(jī)輸出選擇串聯(lián)電阻器。在許多國(guó)家，對(duì)于耳機(jī)的最大輸出功率都有明確的法規(guī)，目的是為了避免損壞聽(tīng)力，故設(shè)計(jì)工程師在選擇電阻值時(shí)必須要牢記這一點(diǎn)。該電阻值應(yīng)該小到使得線負(fù)載(例如Hi-Fi輸入)處的輸出電壓衰減在滿量程時(shí)還能夠支持1Vrms的電壓，這是人們通常所期望的；另一方面，該電阻值還必須足夠大，以便對(duì)于較小的負(fù)載，經(jīng)過(guò)適度的衰減，還能夠滿足那些國(guó)家有關(guān)耳機(jī)功率方面的法規(guī)要求。對(duì)于WM8994而言，由于其輸出功率額定值較高，因此，即便是選用了阻值比較大的串聯(lián)電阻，其耳機(jī)輸出還能夠以非常低的失真水平來(lái)驅(qū)動(dòng)耳機(jī)。1Vrms的輸出即使在總負(fù)載因需求低至32Ω時(shí)仍能夠?qū)崿F(xiàn)。
經(jīng)得起未來(lái)檢驗(yàn)的音頻性能
近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的音頻中心(Hub)解決方案，通過(guò)將所有所需的音頻功能集整合到一個(gè)單芯片上，能夠方便地將高性能應(yīng)用處理器和更具成本效益的調(diào)制解調(diào)器的系統(tǒng)集成在一起。該解決方案消除了系統(tǒng)中的重復(fù)，將元器件的相互依賴降到了最小程度，并為未來(lái)產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)。
基于WM8994上豐富的信號(hào)通道以及可用的混合功能，在不需要繁重的軟件開(kāi)發(fā)工作的前提下，為未來(lái)各種新的音頻應(yīng)用提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案。該器件支持眾多的數(shù)字和模擬通道，這將使手機(jī)設(shè)計(jì)工程師可以在不需要為系統(tǒng)增添新的音頻元器件的條件下，去實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)創(chuàng)新。如果能夠遵從上述有益的系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則，就完全有可能在范圍極廣的各種應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的音頻性能。
