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可提高系统性能的无线音频系统实用设计方案 |
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传统的音频处理电路和设计方法已经不能满足当前手机用户更高的音频质量要求，而且存在的各种环境噪音以及手机的多媒体功能对音频系统的设计提出了更大的挑战。本文分析了传统音频电路的局限性，提出提高音频系统性能的方法，并介绍了几款实用的高性能电路设计。
移动电话在增加了内置式数字照相机、可供下载的多音调振铃、Java电子游戏、MP3播放、录音留言、卡拉OK及视频点播等先进功能之后，已不单只是一个简单的语音通信工具，移动电话已成为能提供个人多媒体娱乐的中心。
由于音频系统是多媒体应用系统的一个重要组成部分，因此系统设计工程师很重视新一代移动设备音频系统的设计。如何将理想的音频系统成功融入系统设计之中是大部分工程师研发新产品时需要解决的一个重要问题，他们面对的挑战是如何确保音频产品表现最佳的音响效果，确保所设计的音频系统能够在已知的限制条件下，充分发挥其性能。
音频系统设计中常见问题
1. 电源噪音
移动电话的电源是一个很大的噪音来源，因为：
a. 射频信号的发射会产生高电流纹波，而GSM电话的电流纹波尤为显著，因为GSM电话的功率射频级按照4.615ms TDMA制式工作，使供电线路出现频率为217Hz人耳可察觉到的电流纹波；
b. 为背光LED、电致发光片(EL)、闪光灯及电池管理系统供电的板上直流/直流转换器也会将高振幅的纹波噪音传入供电线路。
2. 开关切换噪音
每当电源进行开机/停机，或输入/输出耦合电容器进行充放电时，电路的不稳定工作会产生开关切换噪音。目前，普遍采用的先进节能程序经常关、启系统的未用部分，使开关切换噪音问题变得尤其严重。
3. 开启及关闭时间
音频功率放大器一向利用延迟开启及关闭功能以降低来自输入级的开关切换噪音。但对于部分应用来说，这样做可能会丢失一些数据或信息，例如电子游戏玩家都希望每次按键时音响系统会有即时响应。
4. 不同信号的输入/输出
输入信号可能来自多个不同的信源，包括来自基带处理器的单声道语音，来自MP3译码器的立体声信号，多音调音乐振铃和立体声FM电台的射频信号。
此外，信号可能有多个不同的输出端口，其中包括单声道耳机/接收器，外置单声道或立体声扬声器，外置单声道或立体声耳机，专为汽车音响系统等外设而设的单声道输出。数字收音机或智能电话接收的信号有部分采用数字格式，例如脉冲编码调制(PCM)和I2S。
是否可采用通用音频功率放大器？
图1所示的通用音频功率放大器受设计的限制，无法在高电路噪音环境中工作。由于这类放大器的电源抑制比(PSRR)可能不够高，无法抑制供电电路的高电流纹波干扰，令输出信号混杂了人耳可察觉到的噪音。
此外，通用放大器的设计及测试基准均以1kHz为参考频率。一些重要的参数，如电源抑制比对信号及噪音频率非常敏感。例如，开启时间若够长，通用音频放大器可以在1kHz的噪音下提供高达48dB的电源抑制比。噪音若只有217Hz，其电源抑制比则会降至38dB。
提高旁路电容值便可改善电源抑制比，例如Cb若提高至47uF，电源抑制比便可以在217Hz的噪音下由38dB提高至68dB。但旁路电容值若果这么高，开启时间可能会长达几秒，且电容体积增大，这样做并不切实际。
此时，我们需要采用专为无线通信系统设计的音频功率放大器，这种放大器可以在217Hz至1kHz的噪音范围内将电源抑制比保持在一个稳定的水平上，而且同时还可确保启动时间不会太长。例如，LM4890可在Cb=1uF的情况下保证电源抑制比达到65dB，而启动时间大约只需150ms。
启动时间问题
启动时间是无线音频系统设计的第二个最重要的参数。来电振铃音调、语音控制(VOX)、电子游戏、按键响应等操作都需要音频放大器进行快速启动及关闭，以配合节能要求，同时也让相关操作有足够的响应时间。
扬声器输出端口若在启动时进行大量充电，可能会产生难以抑制的开关切换噪音，这是工程师极为担心的问题。为了解决这个问题，可以在扬声器输出管脚加设一个电源顺序启动的特别功能。每当停机管脚由逻辑低电平调高至高电平以重新启动放大器时，输出端电压不会立即上升至Vdd的一半，而是逐步上升，以免扬声器的振动膜突然大幅度振动，产生人耳可察觉的开关切换噪音。
较慢的启动时间有时也有实际上的需要。例如，系统设计工程师若想设计一种较为平滑的人机界面以播放MP3音乐，渐强及渐弱可能是这类应用的最理想特性。图2所示的放大器便根据这种构思添加这种“渐强渐弱”功能，当LM4897放大器获得停机管脚的供电并重新启动之后，输出电平会慢慢上升。每当收到停机信号之后，输出电平便会逐渐下降至零，启动/关闭时间可以通过输入电阻及电容器加以设定。
此外，无线通信系统还可以采用无需旁路电容的音频放大器(图3)。没有旁路电容器，启动时间便可缩短至4ms，而且仍可在217Hz与1kHz的噪音下分别维持高达62dB与66dB的电源抑制比。该音频放大器内置输入及反馈电阻，工程师可以利用外接的控制逻辑管脚选择2倍(6dB)或4倍(12dB)的可编程增益，外接元件数目可大幅减少至两颗。
提高电源抑制比
部分系统电路板的供电线路产生极多噪音，而且还有地弹(ground bounce)问题。对于这类应用来说，电源抑制比有必要进一步提高，图4所示是一种有效的解决方案，该方案采用了全面差分输入及输出的音频功率放大器，其电源抑制比为83dB，而且由于采用了全面差分输入的架构，因此共模抑制比(CMRR)也极高，可以抑制输入铜线及地弹所可能带来的噪音。只要加设一个特别设计的输入级，全面差分输入模式便无需采用输入耦合电容器，有助于减少元件数量，节省成本并将开关切换噪音降至最低。
提高效率或降低升温，延长电池寿命
功耗及内部升温是部分应用系统需要面对的重要问题。要解决这些问题，我们可以考虑采用D类放大器。这类放大器的转换效率高达85%，高于转换效率约为55%的AB类放大器，但原则上D类放大器只是一种采用高频信号作为载波的开关放大器，因此需要加设低通滤波器(一般采用LC网络)以便将输出端的低频音频信号复原。这可能会对射频系统的高频区造成干扰，而且经常会令音频信号频带出现较高的失真，甚至带宽也会受到一定的限制。此外，由于采用较大体积和重量的LC滤波器网络需要另外添加元件，因此会占用印刷电路板更多空间。
无需滤波器的D类放大器的推出解决了这个问题。该放大器可以充分利用扬声器的自身电感及低频响应特性，无需增加外接的低通滤波器，但基于PWM技术的D类放大器只能提供有限的带宽。一直以来，-3dB的带宽只能支持7kHz以下的频率，因此只适合放大300至3,400Hz之间的音频信号，无法支持多音调振铃及MP3播放。
为了解决有限频率响应问题，一种采用Sigma-Delta调制并无需滤波器的全新D类放大器应运而生。此芯片可以利用Sigma-Delta调制的噪音波形修整技术，为20KHz的噪音提供全音频频率响应，而功率转换效率更可高达84%。此外，该芯片可提供6dB和12dB的可编程增益，进一步简化电路设计，同时减少了外围元件。
多输入与输出
可支持多媒体功能的手机可能需要处理多个不同的输入信号源，例如来自基带处理器的单声道语音以及来自音乐振铃、FM广播或MP3译码器的立体声信号。此外，此类手机还有多个不同的信号输出端口，如内置听筒、扬声器、外置单声道或立体声耳机。因此，设计简单的放大器电路无法有效地解决这些问题。
图5所示是这种模拟音频子系统的典型电路，该电路专为基带处理器输出的单声道语音信号提供单声道输入，另外也为FM立体声接收器、MP3播放器或音乐振铃芯片的信号提供一对立体声输入，并利用I2C总线提供32级数字音量控制。此电路的输出端设有功率达400mW的单声道功率放大器，以便驱动内置扬声器，还设有25mW的输出以驱动外置立体声耳机。该芯片设有8个不同的工作模式，系统设计工程师可以将输入及输出灵活搭配成不同的组合。
立体声驱动和3D效果
随着Java电子游戏的面世，以及振铃和MP3音乐可下载的发展，单声道的扬声器输出已无法满足用户要求，可支持立体声扬声器输出的手机将受到市场欢迎。利用这种手机，电子游戏玩家可以亲身体验炮弹从左方飞向右方，仿佛置身现场的感觉，这是真正立体声MP3播放带给我们的体验。这个新的市场发展趋势为厂商创造无限的商机。LM4992是一款专为无线通信系统设计的放大器芯片，这款放大器可在217Hz的噪音下保持高达64dB的电源抑制比。
移动电话在先后增加了多音调振铃、嵌入式相机及MP3播放等功能之后，下一波的发展将会是在电话内采用立体声扬声器。但由于手机受其体积所限，立体声扬声器的位置不得不相距较近，以致减弱立体声的效果。为了解决这个问题，NSC利用可加强3D效果的技术开发了LM4857立体声音频子系统。
该芯片设有一对单声道输入及一对立体声输入，并可通过I2C总线支持32级数字音量控制。此外，其输出端也设有6个音频放大器输出：
1. 一对专为驱动内置立体声扬声器而设的495mW/8欧姆立体声BTL扬声器放大器，以便播放音乐振铃或其它音乐；
2. 一对专为驱动外置立体声耳机而设的25mW/32欧姆立体声耳机驱动器；
3. 专为驱动外置单声道耳机而设的25mW/32欧姆单声道放大器，以放大一般的来电语音；
4. 专为免持听筒等外接功能而设的单声道输出。
该电路的模式混合器设有16种工作模式，系统设计工程师可以利用I2C接口的编程功能，将输入及输出灵活搭配成多种不同的组合，使工程师有更大的自由度充分发挥人机接口的灵活性。
数字音频接口
按目前的市场发展趋势看，新一代移动电话将会全面采用数字基带设计，确保所有模拟音频信号可以全部转为数字信号，以充分利用最新的亚微米数字CMOS工艺技术，让系统设计可以充分发挥其性能。至于语音频带方面，音频信号通道可以采用双向的串行PCM接口，而立体声通道则普遍采用串行I2S接口。
LM4930专用于数字音频应用，可为音频带译码器及麦克风编码器提供一个16位、8kHz的双向PWM接口。16位的分辨率可加强人声识别的准确度，尤其是高频声音较多的女声。此外，LM4930还内置可以数字编程的侧音消除功能，以便生产时可以轻易调校频率波幅。
至于立体声信号通道方面，内置I2S数字音频接口的数字模拟转换器(DAC)可以进行宽16 位、取样率高达48kHz的立体声数字模拟转换，以便为立体声信号译码功能提供支持。
所有译码器输出都会传送到内置混频器，然后再输出到内置扬声器放大器及专为驱动外置耳机而设的立体声耳机驱动器，所有信号通道都可利用I2C控制接口加以设定。
作者：Johnson Ng
亚太区音频产品市场行销经理
美国国家半导体公司
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