为高清语音应用纠正编解码器技术的平衡

整个行业正在进行的持续和广泛的数字化生动地表明，我们现在以越来越二元的方式代表世界。不难理解为什么；二进制是我们为处理数据而设计的最有效的格式，它现在是所有技术领域的基础。

对数字的关注让人很容易忘记模拟也只是表示信息的另一种方式。这个词本身实际上只是意味着“可比”。模拟信号中没有量化的感觉往往会被模拟信号“感觉”像真实事物的事实所掩盖。虽然它存在，但它是一个技术不断进步的领域。

然而，只要以原始格式存储、传输或以其他方式表示声音、景象、气味和纹理等事物仍然不切实际，我们将继续依靠传感器将现实世界的信息转化为我们可以使用的数据形式与，无论是模拟还是数字。

模数和数模转换器（ADC、DAC）无处不在的特性清楚地提醒我们，我们必须在这两个领域之间移动。转换有多种形式，可用的 ADC 和 DAC 架构种类繁多，反映了基于特定应用需求的转换对精度、可重复性和稳定性的不同需求。在为给定应用筛选转换器时，这可能会给工程设计团队带来挑战。

图 1：ADC 电路符号

可能较少混淆的一个领域是语音数据的处理。一般而言，处理音频和视频数据涉及使用 CoDec 或 Coder-Decoder；一类数据转换器，针对在模拟和数字数据上运行的应用程序进行了优化，这些数据包含与音频和视频相关的信号，包括语音。

转向多媒体

任何类型的转换器都会引入量化元素，因为它本质上是在解释——而不是忠实地复制——信息从一种形式到另一种形式。通常，换能器的主要输出本质上是电的，呈现出可测量的电阻、电容或磁阻变化。出于这个原因，换能器也是一种滤波器，因为它忽略了一些输入电平而有利于其他输入电平。由于音频和视频信息的形状在带宽和频率方面可能会有很大差异，因此编解码器的设计重点是关注原始信号的特性。

电话是编解码器的成熟应用领域，因为它们在麦克风和扬声器之间提供模拟/数字接口。然而，最近，半导体制造商专注于开发和推进多媒体信号编解码器，而不是纯粹的语音。智能手机和平板电脑的出现在编解码器方面引起了业界的关注，这并不奇怪，因为它代表了一个与纯语音市场相比具有潜在巨大容量的应用领域。与电话等传统语音设备不同，便携式消费设备中使用的编解码器通常需要处理多种类型的数据。便携式多媒体应用领域的吸引力意味着近年来对更传统语音编解码器的投资有所减少。这使得 OEM 在开发面向语音的产品时别无选择。使用多媒体编解码器或基于可能已有十年或更长时间的语音编解码器的新产品。

这未能认识到新兴应用对纯语音产品的需求，例如移动无线电、有线电话、语音控制设备或公共/私人对讲机。它还抑制了这些设备的制造商利用现代传感器的优势的潜力，这最终将实现更小、更低功耗和更高性能的解决方案。

配置文件中的语音编解码器

现有的语音编解码器可能会被设计为与传统的驻极体麦克风接口。这些会产生一个小的模拟信号，需要在到达编解码器之前进行预放大。现有的语音编解码器可能无法集成数字化语音数据所需的必要 ADC 和 DAC，这意味着需要更多外部组件。此外，编解码器可能不包括输出功率放大器，这又意味着额外的电路。最后，编解码器很可能使用传统工艺节点制造，这表明超低功耗不是一个特性。总之，这些缺点使现有的解决方案不适合现代应用程序，这些应用程序需要一种小型、低成本但高度集成的语音编解码器，并在低功耗的同时提供高性能。

然而，除了影响编解码器的发展外，便携式多媒体设备的兴起也促进了基于微机电系统或 MEMS 的传感器的巨大发展。最著名的 MEMS 传感器是加速度计和陀螺仪；允许便携式和可穿戴设备识别其方向和其他运动的传感器。由于它们基于相同的技术，MEMS 麦克风比传统麦克风更小，功耗更低，同时提供更高的整体性能和更多功能的集成。这消除了对大量外部电路的需求，同时为能够充分利用这一技术发展的编解码器创造了机会。

近年来技术真正发展的另一个领域是 D 类放大器。本质上，这是一个在数字领域工作的模拟放大器，它的名字呼应了其他形式的放大（如A类、AB类）。D 类放大器是 MEMS 技术的完美补充，但直到最近还比较复杂，因此难以实施。然而，D 类放大器提供的效率提升鼓励了业界追求这一领域，我们现在正处于 D 类放大器成为主流的地步。

新一代语音编解码器

面对对适用于最新应用的专用语音编解码器日益增长的需求，为了解决投资不足的问题，CML Microcircuits 开发了 CMX655 系列。

专为支持针对标准电话和高清语音的语音应用而设计，它们集成了许多高级功能，包括直接连接模拟和数字 MEMS 麦克风的能力。这使得 CMX655 系列在功能和功率效率方面都比通用多媒体编解码器和现有语音编解码器更优化。CMX655 系列提供了比现有语音编解码器更高的音频质量和更简单的系统设计，这要归功于它对 MEMS 麦克风的支持和 D 类输出放大器的集成，它能够为扬声器提供高达 1W 的功率。

图 2 中的框图显示了 CMX655D 的数字变体，说明了主要功能，包括数字麦克风接口、D 类放大器和音频信号处理块。该器件可以同时连接两个数字 MEMS 麦克风，实现降噪等高级功能。

图 2：CMX655D 框图

通常，MEMS 麦克风提供符合脉冲密度调制 （PDM） 或 IC 间声音 （I2S） 协议的串行输出，这两种协议都使用单个数字信号对模拟数据进行编码，并与时钟同步。 两种协议本质上都可以支持同一总线上的多个麦克风信号，这反映在 CMX655D 的设计中，它能够同时处理两个独立但完全同步的麦克风信号。

在数字输出 MEMS 麦克风中，初始转换发生在设备内部，通常将前置放大与 PDM 调制相结合。输出随后由编解码器处理，编解码器首先将 PDM 比特流转换为帧数据。这涉及使用抽取滤波器从高频 PDM 信号中恢复低频数据。虽然这可以使用 DSP 来执行，但所涉及的软件算法可能很复杂，DSP 的成本相对较高并且总体功耗相当大。将此功能作为硬件模块集成到编解码器中，有助于简化设计、降低系统功耗并降低 BoM 成本。例如，CMX655D 在侦听模式下仅消耗 300µA，这一功能在系统侦听事件的现代应用中越来越普遍，例如数字助理中的唤醒词，或安全系统中玻璃破碎的声音。在这些应用中，超低功耗运行是一个重要特性。

CMX655D 提供的集成水平意味着 OEM 现在可以开发具有更简单信号链的产品，因为所需的大部分功能都集成到单个设备中。它同时支持传统电话（300Hz 至 3.4kHz）和高清语音（50Hz 至 7kHz）的带宽，这将支持提供高清质量语音的新一波设备。这包括电话、PMR（私人移动无线电）和公共/私人对讲系统。其低功耗证书也使其适用于需要保持“始终在线”的安全和火灾报警系统、语音控制消费设备和可穿戴应用。这就是与现有语音/多媒体编解码器相比，CMX655D 的超低功耗将成为真正区别的地方。

结论

一段时间以来，半导体行业对语音编解码器的服务严重不足，这让 OEM 厂商别无选择，只能使用更复杂、更昂贵的多媒体编解码器（一种无法支持最新 MEMS 技术的语音编解码器），或者实现信号处理在软件中。

审核编辑：郭婷