蜂窝手机音频架构的未来发展趋势

关键词： 发展趋势 , 蜂窝手机 , 音频架构

在向未来发展的进程中， 蜂窝手机已经逐步演变成为一种多通道、多媒体信息终端，对音频的需求也在基本的双向语音通信基础上发生着巨大的变化。音频信号以模拟和多种数字格式的形式存在，并被传输至多种类型的模拟和数字输出器件。供蜂窝手机使用的信号通路可以是模拟、数字，或者二者兼而有之，这取决于处理器芯片上是否含有麦克风和耳机所需的编解码器以及小信号放大器。而处理器的半导体制造工艺正在向更小尺寸、更高器件密度和更低工作电压发展。  

数字音频接口  

在尺寸更小的处理器上构架任何模拟电路都将造成性能损失，例如会降低输出功率和信噪比( SNR)。因此，数据转换和放大器功能应当从处理器中分离出去，代之以一个或多个数字接口来连接外部的数据转换器和放大器功能，这些功能可以由分立器件提供，也可以包含在音频子系统中。表1是目前一些著名的数字音频接口，以及它们用于蜂窝手机时的优缺点比较。  

上述每个接口都有不同的信号特点，因此必须在蜂窝手机内进行不同处理。而现有蜂窝手机已经使用的音频控制接口包括I(SUP/)2(/SUP)C总线、SPI等。其中，I(SUP/)2(/SUP)C(内置电路)总线是蜂窝手机中最常用的控制总线，这是一种多主机、多从机2线双向串行接口，活动线路、串行数据和串行时钟(SDA和SCL)都是双向的。连接到I(SUP/)2(/SUP)C总线的最大设备量需要满足线上最大允许电容(400pF)以及127个设备地址的要求。目前有两种形式的I(SUP/)2(/SUP)C，“标准”(100Kbps)和“快速”(400Kbps)。根据初始规定，I(SUP/)2(/SUP)C信号特征与5伏直流电源电压相关，高、低电平逻辑阈值是Vcc的函数，而不是固定值。  

随着CPU的工艺尺寸变小、电源电压和逻辑电平下降，目前有多个版本的I2C可以在低于5V直流电源电压的条件下工作。特别是3.3Vcc，其逻辑阈值固定在特殊值上，从而能够与电源电压低至1.8Vcc的处理器发出的数字控制信号配合工作。  

未来蜂窝手机将呈现的新型音频架构  

蜂窝手机具有一个通信处理器和一个应用处理器，每个处理器用于实现上述所有音频功能。然而，这种集成所有可能的控制、数据接口、音频格式选择的状况导致了蜂窝手机中数字音频高度分立的架构。为了帮助减轻架构上的障碍、提高效率，多个蜂窝手机公司成立了移动行业处理器接口联盟( MIPI)以规划下一代手持设备的设计，该联盟将为手持设备中的包括音频在内的各种不同功能制定接口标准。但是在MIPI推出统一标准之前，未来蜂窝手机将呈现出如下的新型音频架构。

F1: 未来蜂窝手机的新型音频架构

与模拟麦克风相比，数字麦克风可以提供更好的信噪比以及更好抗RF和EMI干扰能力。在 MEMS数字麦克风或传统的驻极体电容麦克风之后，跟随一个模拟数字转换器电路，将在给定的采样速率输出条件下直接向新总线提供音频采样。数字麦克风的数据可以更加直接由蜂窝手机CPU软件控制，以提供多种语音处理功能。另一路数字麦克风可以很容易地附于总线中，以实现立体声录音，或作为麦克风阵列的一部分实现噪声抑制或定向成形技术，以增强转换收听端的语音智能。  

为了减少内部热量、延长电池寿命，符合逻辑的改进是采用数字输入、D类放大器，并直接在扬声器处进行最终的模拟转换。现在这些直接连到总线结构上，不需要到扬声器的模拟连接，即可在板上将总线安装到扬声器安装区域。数字放大器可以附加于扬声器，极大地减少了它的输出引脚 EMI/RFI辐射的机会。从系统的观点来看，附加扬声器非常简单，只需连接到总线上。   

数字扬声器是具有数字输入的移动线圈扬声器。若将“无滤波器”的D类放大器安装在扬声器框架附近，由于放大器和扬声器之间没有导线，这样的设计可进一步降低EMI/RFI。此外，蜂窝手机PCB上只有低电平数字信号，放大器和扬声器特性可以进行匹配，从而获得更好的效率，并且可在能够放置数字音频总线的地方安装数字扬声器。手机制造商可以支持单声道或立体声扬声器，或者根据手机型号的功能需求制作扬声器阵列以改善扬声器麦克风性能和PTT应用。

同时，头戴式麦克风不会很快就变为全数字化，因为低功率输出下的D类放大器的效率并不比低功耗AB类放大器的高。更重要的是，需要改变连接器的结构来适应额外的导线。最后，如果D类开关信号在蜂窝手机外有很长的导线，无论麦克风上的功率有多低，信号都将表现出一定的 EMI、RFI辐射。  

如果还需要硬件音乐合成器，若设计成带有新总线接口的形式，至少可以消除8个连接，且不会导致性能下降。可以通过任何来源的 MIDI命令和数字音频采样来合成最终的输出音乐，新软件合成器还能够混合不同的音频文件类型(MIDI、SMAF、WAV和MP3)，并直接向新
总线接口输出数字采样。  

在连接模拟麦克风、头戴式麦克风、模拟放大器和模拟输入-输出源时，转换器仍然是必要选择。通过简化的转换器，可适应不同类型和功率要求的麦克风，且轻松的加入到手持设备设计中。现存的模数转换器、数模转换器和编解码器设计可以与新数字音频总线接口匹配。  

射频和电视服务中的音频内容( DAB、 DMB、 DVB-H等)通常通过数字(I(SUP/)2(/SUP)S)或/和模拟形式(带有媒体处理器和立体声数模转换器的模块)解码，最终在系统中实现。使用新的总线架构，可以控制这些器件并使其数字输出直接放在总线上，随后送至合适的数字转换器中；而独立器件或者包含在模拟子系统中的器件被桥接到音频器件上。  

其它器件还包括用于安全目的的数字生物传感器，其数据输出是一系列类似于数字音频采样的字节，或者类似于I(SUP/)2(/SUP)C总线数据的字节。娱乐照明设备通过一系列与I(SUP/)2(/SUP)C数据传输类似的数据字节进行控制。根据需求，灯的亮灭还可以利用声音进行同步控制。震动马达也可以很轻松地进行控制。此外，制造商试图把震动马达与声音进行同步，这样马达就可以随着声音的曲调震动，并带有闪光模式。所以，连接到数字音频总线结构上是符合逻辑的。  

手机游戏提供商对触摸设备也很感兴趣。这些设备通常由音频声音触发，如游戏中的爆炸、枪声、高音以及其它的声音效果。同样，它们可以连接到数字音频总线结构上。此外，蓝牙调制解调器也能很轻松的连接到新总线结构上并得以控制。  

世界不会一下子就步入数字设备时代，未来架构还会需要连接到数据转换器、放大器和模拟音频设备(如扬声器和麦克风)的接口，这可以通过音频子系统的桥接来实现。利用新的总线结构进行设计，将包含混合信号数据转换器，以及支持模拟放大器、麦克风和其它音频子系统所具有的模拟输入或输出的电路。这种新音频子系统“桥接”电路将只需要一个数字接口，而不是三个，进一步减少了器件和引脚数量以及板面积。另外，每个独立的转换器或设备功能有各自到达新总线结构的数字连接。