MID這類行動(dòng)裝置整合通訊功能，對(duì)音訊處理要求特別高。
當(dāng)人們對(duì)MID、Tablet PC或智慧型手機(jī)的應(yīng)用功能，慢慢從單純運(yùn)算轉(zhuǎn)移到多媒體娛樂用途時(shí)，對(duì)系統(tǒng)工程師來說，建構(gòu)運(yùn)算環(huán)境除要考量效能、功耗與整合特性外，對(duì)於音效系統(tǒng)的重現(xiàn)能力，也必須慎重納入設(shè)計(jì)要求，以期達(dá)到表現(xiàn)更好的音效重現(xiàn)體驗(yàn)。
消費(fèi)者對(duì)於行動(dòng)裝置的應(yīng)用，已經(jīng)從單傳的處理資料進(jìn)階到娛樂、工作、溝通多元應(yīng)用方式，其中「音效」表現(xiàn)或許在工作用途干擾較小，但實(shí)際上在目前日趨成為主流的娛樂與溝通應(yīng)用，音效的表現(xiàn)即會(huì)影響消費(fèi)者是否購(gòu)買裝置的關(guān)鍵因素。
以目前熱門的行動(dòng)裝置來說，以行動(dòng)電話的應(yīng)用與音效關(guān)係最大，當(dāng)行動(dòng)電話應(yīng)用的環(huán)境，可能面對(duì)音效的態(tài)度會(huì)有截然不同的要求，例如，語(yǔ)音使用狀態(tài)下必須取得清晰的抗噪收音與清晰的音效呈現(xiàn)，而作為鈴聲、MP3音樂重現(xiàn)用途，音訊的重播要求又以真實(shí)呈現(xiàn)與提供更表現(xiàn)更好的空間感為前提。
發(fā)展音訊設(shè)計(jì) 音質(zhì)素材內(nèi)容需界定明確
多數(shù)多媒體裝置，在開發(fā)之初，必須將音訊的處理原則做一個(gè)明確的界定，例如，數(shù)位音訊可以劃分為通訊、溝通與Hi-Fi高傳真兩大區(qū)塊，所謂通訊與溝通應(yīng)用，意指以8位元、8kHz數(shù)位化音源為主，因?yàn)樵O(shè)備處理語(yǔ)音不需接收過多訊息，內(nèi)容必須朝更清晰呈現(xiàn)為主，加上傳送方式的限制(無線傳送)，訊息必須經(jīng)過有效壓縮與快速解壓縮重現(xiàn)，才不會(huì)出現(xiàn)不同步的延遲問題，因此內(nèi)容的取樣與壓縮會(huì)控制在較低的水準(zhǔn)同時(shí)又不會(huì)影響內(nèi)容的清晰度。
而Hi-Fi高傳真內(nèi)容的定義，多半是以CD音樂光碟為基礎(chǔ)，如44.1kHz取樣、16位元為主，因?yàn)镃D音樂的重現(xiàn)品質(zhì)已經(jīng)是消費(fèi)者能認(rèn)同的高音質(zhì)表現(xiàn)基礎(chǔ)，因此可攜式多媒體裝置依此要求還算可以達(dá)到一般對(duì)高傳真音效的水準(zhǔn)表現(xiàn)。
以溝通應(yīng)用為主的音訊設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在於低取樣率、較低音質(zhì)以達(dá)到高壓縮比、資料量壓縮的要求，而針對(duì)高傳真多媒體娛樂應(yīng)用，則是採(cǎi)與CD音樂相同等級(jí)的高取樣率、高音質(zhì)配置。
Hi-Fi高音質(zhì)的處理可利用多位元的音效處理IC進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)改善音質(zhì)表現(xiàn)，而針對(duì)兩種截然不同的應(yīng)用模式，所使用的連結(jié)技術(shù)也會(huì)不一樣，例如，Hi-Fi高傳真音效數(shù)據(jù)格式會(huì)採(cǎi)Inter-IC Sound(I2S)處理，溝通用的設(shè)計(jì)方案使用的解碼IC，通常會(huì)採(cǎi)行採(cǎi)PCM(脈衝調(diào)變)為主的設(shè)計(jì)方案，但實(shí)際的狀況是，PCM的應(yīng)用在今日的IC技術(shù)，已可應(yīng)付如Hi-Fi或是高壓縮比的溝通音訊處理。
I2S傳輸時(shí)序圖。
早期音訊應(yīng)用多採(cǎi)整合設(shè)計(jì)
而在電腦應(yīng)用領(lǐng)域，其實(shí)對(duì)於音訊的處理要求，也出現(xiàn)與行動(dòng)裝置類似的現(xiàn)象，電腦近年大量以AC’97標(biāo)準(zhǔn)搭配解碼晶片處理各式音訊應(yīng)用，雖然透過軟體來轉(zhuǎn)換音訊理論上可行，但成本可能會(huì)太過高昂，以AC’97來說就是將音訊處理轉(zhuǎn)由硬體解碼晶片處理，由於採(cǎi)行專用的硬體處理音訊，因此整體的轉(zhuǎn)換效率可大幅提升，目前AC’97儼然已經(jīng)成為電腦產(chǎn)品的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。
但從早期的多媒體播放設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，例如，MP3隨身聽、MD/CD隨身聽，多半仍採(cǎi)I2S DAC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行線路設(shè)計(jì)，這種狀況若是出現(xiàn)在支援音效重播功能的MID、PDA、行動(dòng)電話上，多半也會(huì)採(cǎi)行複合式的系統(tǒng)配置。
例如同時(shí)具備PCM方式的脈衝編碼、調(diào)半晶片與AC’97/I2S Hi-Fi高傳真音源處理晶片，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)者或許有注意到兩種音訊子系統(tǒng)間的可能問題，例如雜訊干擾、諧波失真等，影響了不同音訊應(yīng)用可能出現(xiàn)的音質(zhì)問題，甚至也因?yàn)閽?cǎi)離散式的主/被動(dòng)元件配置，讓有限的PCB主版空間被各式數(shù)位、類比元件所佔(zhàn)據(jù)，而元件增多也容易因生產(chǎn)問題造成產(chǎn)品良率與回修成本提高。
透過整合技術(shù) 提升各方面音訊水準(zhǔn)
而在半導(dǎo)體技術(shù)方面，對(duì)於元件整合的趨勢(shì)也在持續(xù)進(jìn)行中，電子裝置所需的音訊處理應(yīng)用，也有相關(guān)的整合解決方案作法，例如，採(cǎi)SoC的概念，可將音效處理相關(guān)的D/A轉(zhuǎn)換器、功放迴路或其他大型的IC元件進(jìn)行整合，但透過此方法整合的成品在實(shí)踐Hi-Fi高音質(zhì)表現(xiàn)仍有段理想差距。
例如，把電源管理或是其他數(shù)位應(yīng)用IC，進(jìn)一步整合音效功能時(shí)，就會(huì)面臨處理雜訊的問題，整合數(shù)位IC和音訊線路，對(duì)於同一晶片共處兩種以上的電子電路，可能在設(shè)計(jì)上就會(huì)有所折衷，例如受限於數(shù)位IC功能，讓音訊無法獲得最佳發(fā)揮，或是為了提升品質(zhì)，讓封裝後的體積變得過大，亦失去整合的目的。
此外，對(duì)於音訊的後端放大設(shè)計(jì)線路，例如喇叭的功放迴路，就特別難以整合進(jìn)同一個(gè)IC，因?yàn)楣Ψ呸捖窌?huì)產(chǎn)生大量的熱源，整合後的IC必須針對(duì)散熱進(jìn)行相關(guān)處理措施，折衷的作法可能是數(shù)位IC與主要的D/A、解碼功能單元進(jìn)行整合，再將推動(dòng)喇叭的功放迴路採(cǎi)獨(dú)立元件處理線路實(shí)踐，成為類SoC的音訊整合解決方案。
還有音訊設(shè)計(jì)最�？吹降膯栴}，就是在類比輸出/輸入的設(shè)計(jì)有限，因?yàn)榫虸C的整合設(shè)計(jì)概念，多半要求IC外型越小越好，例如採(cǎi)方形的扁平無導(dǎo)線QFN晶片封裝方式設(shè)計(jì)，若要增加接腳，也會(huì)讓整合案例無法有效微縮產(chǎn)品體積，佔(zhàn)板面積將會(huì)大幅提升，失去整合的效益。
AC'97音效的整合方式，在裝置設(shè)計(jì)也相當(dāng)常見
利用專屬音訊IC提升音效表現(xiàn)
對(duì)於各種與數(shù)位IC或功能IC的整合設(shè)計(jì)方式，音訊等效電路還是採(cǎi)取專屬音效IC取代設(shè)計(jì)，會(huì)比整合型的設(shè)計(jì)解決方案具備更好的音效表現(xiàn)空間！而以行動(dòng)電話的應(yīng)用案例來看，需整合的項(xiàng)目則顯得更加多元與困難，例如有音訊為主的類比輸入、類比輸出、Hi-Fi高傳真音源處理、藍(lán)牙無線傳輸?shù)臒o線編碼/解碼IC並搭配PCM介面進(jìn)行設(shè)計(jì)。
至於整合音效的設(shè)計(jì)方案也很多，例如，透過分享式的設(shè)計(jì)，讓元件本身可以共用DA/AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低製作成本，但節(jié)省成本也會(huì)帶來新的設(shè)備使用限制與困擾，當(dāng)不同應(yīng)用有自己的DA/AD轉(zhuǎn)換器時(shí)，就不用擔(dān)心必須進(jìn)行播放/錄音或是其他應(yīng)用到音訊的多媒體操作與多工應(yīng)用，因?yàn)楣灿肈A/AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)會(huì)讓目前使用中的音訊服務(wù)佔(zhàn)用有限的DA/AD轉(zhuǎn)換器硬體資源，造成其他應(yīng)用的排他性，導(dǎo)入節(jié)省成本的設(shè)計(jì)方案時(shí)必須加以考量。
多數(shù)設(shè)計(jì)案會(huì)採(cǎi)取折衷的作法，可避免為了音訊多工而徒增矽晶片的製作成本，例如，採(cǎi)用獨(dú)立的DA轉(zhuǎn)換器，搭配共用A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，這樣一來，在行動(dòng)電話的設(shè)計(jì)案中，就可以達(dá)到於進(jìn)行語(yǔ)音通訊的過程中，同時(shí)對(duì)談與聽到話中插撥的提示鈴聲，即便進(jìn)行語(yǔ)音通話中無法同步錄音或操作其他音訊功能，在產(chǎn)品的實(shí)踐設(shè)計(jì)方面功能的限制是可以被接受的。
網(wǎng)路視訊溝通，在小體積的行動(dòng)裝置上，高抗噪的音訊處理的難度更高。
麥克風(fēng)的設(shè)計(jì)
在智慧型手機(jī)中，其實(shí)最複雜與難以處理的問題，多半與麥克風(fēng)配置與設(shè)計(jì)有關(guān)，多數(shù)的設(shè)計(jì)必須設(shè)置兩個(gè)麥克風(fēng)，一個(gè)作為收音用途，一組內(nèi)部麥克風(fēng)必須提供訊抑制處理的參考資訊，或是執(zhí)行立體聲錄音功能。以行動(dòng)裝置常見的汽車免持設(shè)計(jì)來說，麥克風(fēng)的設(shè)置可能必須同時(shí)具備收音與錄製語(yǔ)音備忘錄用途，系統(tǒng)複雜度比一般音訊處理更為繁複、困難。
系統(tǒng)的雜訊也是設(shè)置麥克風(fēng)最必須被改善的問題，例如，裝置本身同時(shí)具備高頻數(shù)位IC與邏輯電路，從電路或環(huán)境產(chǎn)生的噪訊，干擾的產(chǎn)生可能是來自PCB的布局或是PCB線路帶有麥克風(fēng)線路造成。
雜訊會(huì)透過麥克風(fēng)的功放迴路進(jìn)行放大，為了避免這類問題不斷發(fā)生，減少花在改善音質(zhì)的開發(fā)成本，除了PCB板布線進(jìn)行謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)外，利用兩組麥克風(fēng)線路搭配差動(dòng)放大迴路消除噪訊，也是一個(gè)常見的設(shè)計(jì)方法。
另一種解決方案是利用MEMS麥克風(fēng)元件，把原有類比的拾音處理、傳送處理，在元件端即做到數(shù)位化的方式，麥克風(fēng)元件拾音後隨即進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將訊號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)位訊號(hào)傳輸，對(duì)於PCB布線的設(shè)計(jì)較不會(huì)出現(xiàn)惱人的干擾雜訊影響。
常見的麥克風(fēng)噪音問題，絕大部分也是源自環(huán)境問題，這部份的噪音來源以戶外為多，例如車輛、人潮等環(huán)境噪音，甚至是處?kù)短厥鈭?chǎng)合，如機(jī)場(chǎng)或是車站，常見的風(fēng)切問題也是不容一處理的環(huán)境噪訊。
當(dāng)裝置於戶外使用時(shí)，設(shè)計(jì)方案為了避免環(huán)境噪訊，大多把音訊限在200Hz以下搭配高通濾波器讓訊號(hào)來源更單純，簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法是於麥克風(fēng)輸入搭配耦合電容進(jìn)行率波，可過濾掉來自數(shù)位電路的雜訊，而多數(shù)的音訊DA轉(zhuǎn)換器也多有內(nèi)建高通濾波器等效電路，但此種設(shè)計(jì)僅適合因應(yīng)語(yǔ)音應(yīng)用的場(chǎng)合，若用於音樂錄音的場(chǎng)合，會(huì)讓錄製的音訊因?yàn)闉V波迴路的「效果」，讓音樂的低音無法彰顯，影響錄音效果。若是有預(yù)設(shè)必須支援音樂錄音的行動(dòng)裝置，此濾波功能必須關(guān)閉，或是採(cǎi)雙麥克風(fēng)拾音方式去改善環(huán)境噪音的影響！
揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)
行動(dòng)裝置的揚(yáng)聲器數(shù)量與對(duì)應(yīng)的輸出功率，在音質(zhì)至上的裝置設(shè)計(jì)中，也成為被強(qiáng)調(diào)的設(shè)計(jì)功能！例如，行動(dòng)電話原本對(duì)於裝置的立體聲揚(yáng)聲器的設(shè)置需求就不大，若為了提升音效重現(xiàn)效果，要在有限的空間追加立體聲設(shè)計(jì)，這表示輸出的揚(yáng)聲器功放電路就要對(duì)應(yīng)變成兩套，讓PCB的複雜度提升，功放晶片也必須對(duì)應(yīng)設(shè)置。行動(dòng)電話設(shè)計(jì)案中，常見的內(nèi)建免持聽筒設(shè)計(jì)，其實(shí)也是透過雙揚(yáng)聲器的方式設(shè)計(jì)，裝置本身設(shè)置一組較小的揚(yáng)聲器作為接聽之用，較大的揚(yáng)聲器則搭配高功率功放重現(xiàn)較響亮的免持聽筒效果。
與麥克風(fēng)設(shè)計(jì)相同的是，當(dāng)揚(yáng)聲器數(shù)量增加，也會(huì)帶來晶片與等效電路的增加，對(duì)於精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)與微縮設(shè)計(jì)方向沒有什麼好處，而比較嚴(yán)重的是揚(yáng)聲器的類比放大電路會(huì)消耗較高的供應(yīng)電流，對(duì)於採(cǎi)電池作為主要電力來源的行動(dòng)裝置來說，還必須納入節(jié)能的設(shè)計(jì)考量。
時(shí)脈和介面設(shè)計(jì)
一般來說，設(shè)計(jì)案中可以將通訊與應(yīng)用電路間採(cǎi)部分共享的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，但對(duì)於輸出/入介面來說，就無法如此進(jìn)行開發(fā)，因?yàn)槊恳唤M音訊的串流訊號(hào)，都必須在獨(dú)立時(shí)脈的電路進(jìn)行上運(yùn)作，同時(shí)擁有獨(dú)立的時(shí)脈頻率，音訊時(shí)脈通常由石英振盪器產(chǎn)生，例如，AC'97的設(shè)計(jì)方式就是搭配一個(gè)外部的24.576MHz石英震盪器進(jìn)行設(shè)計(jì)，而在行動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)案例中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須考慮額外的功耗問題、有限的PCB板空間，與增加的石英震盪器的元件成本。
系統(tǒng)工程師多半會(huì)選擇自PCB其他的時(shí)脈進(jìn)行擷取、應(yīng)用，雖然必須搭配鎖相迴路(PLL)實(shí)現(xiàn)擷取，但仍較額外追加石英振盪器的設(shè)計(jì)方式，更受開發(fā)者的青睞，因?yàn)榫叩凸β省⒌碗s訊的PLL鎖相迴路，基本上可以具備極低的成本整合於混合訊號(hào)IC。
具立體聲輸出的行動(dòng)電話，揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)與相關(guān)電路相對(duì)複雜。 |
