當手機不斷地整合包括照相
游戲
數據
視頻等各種功能於一身時
它已搖身變成一個多媒體應用的播放平台
可說是朝細致而微的隨身型迷你計算機發展
在定位上這樣的手機有別於既有的純粹語音的手機(Voice phone)或具備某些功能的手機(Feature phone)而當屬於智能型手機(Smart phone)
智能型手機除了具有較強的數據編輯管理能力更能提供音視頻游戲等多媒體應用服務也能同時處理多項工作更進一步來看它的功能面涵蓋了通信信息與多媒體功能即
通信功能語音訊息(messaging)認證(Authentication)計費(Billing)等等通信處理功能
信息功能Email行事歷信息管理Sync安全性等信息處理功能
多媒體功能視頻照相游戲TV串流音樂DRM等多媒體應用功能
除了信息功能外在通信與多媒體的應用上音頻是必要的處理任務在過去手機只需要處理單純的語音通話信號但今日的智能型手機中得處理的音頻任務繁重除了多音調振鈴MP音樂外可能還要有FM廣播及游戲音效而且不能只是單聲道的效果現在要求的是立體聲的臨場感體驗
過去數字音頻的世界是截然兩分的一邊是HiFi的世界另一邊則是語音的世界一般而言HiFi是指bit立體聲質量以kHz取樣的音頻也就是CD音樂的規格電話語音則是bit和kHz的單聲道(mono)低質量音頻不過進入智能型手機的時代兩個音頻世界開始撞擊在一起了如何將音頻子系統完善地與應用及通信處理平台整合在一起就成了便攜式設備工程師開發新產品時的關鍵性挑戰
音頻編碼格式與接口
在進入系統架構的探討前先來看看音頻編碼的現狀目前音頻編碼的格式繁多針對聲音的編碼就有PCMADPCMDMPWMWMAOGGAMRACCMPPro以及MP等針對人類語音有LPCCELP與ACELP等其它還有MPEGMPEGHVC等視聽節目的編碼格式手機多媒體格式的市場趨勢請參考(圖)
圖 手機多媒體格式的應用市場趨勢
以下介紹三種常用的音頻格式
AMR格式
AMR為自適應多碼率語音傳輸編譯碼器(Adpative MultiRate Speech Codec)最初版是歐洲電信標准化協會(ETSI)為GMS系統所制定的語音編譯碼標准而因頻寬又分為兩種—AMRNB(AMR Narrowband)和AMRWB(AMR Wideband)以市場最大品牌Nokia來說其多數手機都支持上述兩種格式的音頻文件
MP格式
MP是MPEG AudioLayer的縮寫這是一種音頻壓縮技術其編碼具有::的高壓縮率可以保持低頻部分不失真但犧牲了音頻中KHz KHz的高頻部份來降低文件大小其mp格式文件一般只有wav的%另外MP受到歡迎的一大原因是它並非受到版權保護的技術所以任何人都可以使用
MP格式壓縮音樂的取樣頻率有很多種可以用kbps或更低的編碼來節省空間亦可以用到kbps達到極高的壓縮音質MP在編碼速率上又分為CBR(固定編碼)與及VBR(可變碼率)技術有些手機無法播放下載來的音樂正是因為沒有支持VBR格式的MP音樂
AAC格式
AAC即高級音頻編碼(Advanced Audio Coding)它采用的運算方式是與MP不同AAC可以同時支持多達個音軌個低頻音軌更多種取樣率和傳輸率具有多種言語的兼容能力以及更高的解碼效率總結來說AAC可以在比MP格式再縮小%的條件下提供更好的音質而且聲音保真度好更接近原音所以被手機界視為是最佳的音頻編碼格式AAC是一個大家族他們是共分為種規格以適應不同場合的需要
() MPEGAAC LC 低復雜度規格 (Low Complexity)
() MPEG AAC Main 主規格
() MPEG AAC SSR 可變取樣率規格 (Scaleable Sample Rate)
() MPEG AAC LC低復雜度規格(LowComplexity)現在的手機比較常見的MP檔中的音頻部份就包括了該規格音頻文件
() MPEGAAC Main 主規格
() MPEG AAC SSR 可變取樣率規格 (Scaleable Sample Rate)
() MPEG AAC LTP長時期預測規格(Long Term Prediction)
() MPEG AAC LD低延遲規格(Low Delay)
() MPEG AAC HE高效率規格(High Efficiency)
上述的規格中主規格(Main)包含了增益控制以外的全部功能
其音質是最好而低復雜度規格(LC)則是比較簡單沒有了增益控制但提高了編碼效率至於SSR與LC規格大致相同但是多了增益的控制功能另外LTP/LD/HE都是用在低碼率下的編碼其中HE采用NeroACC編碼器支持是近來常用的一種編碼率方式不過一般來說Main規格和LC規格的音質相差不大因此考慮手機目前的內存仍有限的情況下目前使用最多的AAC規格是LC規格
音頻接口
音頻接口是智能型手機設計者需考慮的重要議題數字語音一般采用PCM(Pulse Code Modulation)接口而HiFi立體聲則采用串行IS(InterIC Sound)接口或AC接口IS是飛利浦公司為數字音頻設備之間的音頻數據傳輸而制定的一種總線標准是目前消費性音頻產品中常用的接口AC?則是英特爾公司用於提升個人計算機音效降低噪音的規格由於在年制訂因此稱為AC
在計算機的音頻需求上基本上與消費性市場相似但為了要能播放不同取樣速率(kHzkHzkHz)下錄音的音樂文件所以需要有更有效率和便宜的解決方案而AC就具有這樣的特性在廣義的手持式設備市場中三種格式各有其擁護者CDMDMP隨身聽會采用IS接口移動電話會采用PCM接口具音頻功能的PDA則使用和PC一樣的AC編碼格式
音頻系統整合策略
在較早的系統中通常是將電話與PDA的電路並排放在這個設備外殼內其中PCM語音編譯碼由通信處理器來控制HiFi立體聲(AC?或IS)的處理則連到另一顆應用處理器在此架構中兩個音頻子系統之間的整合性還很低分布式的硬件切換電路除了較占空間需要額外的外圍組件來做信號交換和混音外也會帶來諧波失真(harmonic distortion)等的問題請參考(圖)
因此為特定應用而量身定制一套整合性的解決方案是較理想的作法在SoC的技術趨勢下已有一些廠商將立體聲數字模擬轉換器(DAC)或編譯碼器(CODEC)整合到特定功能的IC當中不過有些功能適合整合在一起有些則可能得到反效果
舉例來說當廠商將電源管理和音頻處理功能整合在一起時通常得在音質的部分做妥協因為電源穩壓器(regulator)所產生的噪音會干擾到附近的音頻路徑若將音頻功能整合到數字IC中也有困難因為對於HiFi的組件來說需要用到mm的工藝來讓混合訊號處理得到最佳化效能但目前數字邏輯方面的應用已朝mm以下的更高工藝發展以上述兩種整合性的芯片策略來說要讓兩種不同的電路同時存在於一個芯片當中其最終的芯片尺寸可能也會大到難以接受
此外揚聲器功率放大機(loudspeaker amplifier)特別難被整合它所產生的熱是一個問題需要做散熱處理因此往往需要另一顆獨立的揚聲器驅動IC還有一個整合上的常見問題也就是為了讓IC盡量做到最小化可能會產生模擬輸入或輸出接腳數目不足的問題
專屬的音頻IC可避免這些問題而音頻整合有好幾種方法可以達成共享ADC和DAC能減少硬件成本但卻不能同時播放或錄制兩種音頻流格式為個別功能安排專用的轉換器(converter)可以解決這個問題不過此一作法會增加芯片成本折中的作法是只共享ADC的部分但有獨立的DAC這樣做的話當電話通信在進行時也同時可以播放其它音頻(如播放另一通電話的鈴聲或播放音樂)但在通信時不能同時進行錄音ADC的耗電可以通過關掉一種功能而以較低取樣速率的方式來加以控制
此外音頻系統也可以有不同的作法當語音CODEC被整合在通信芯片組中時搭配另一顆具有額外模擬輸入輸出和內部混音的HiFi CODEC是恰當的作法在另一種情況下一個具有直接連結無線耳機功能(如藍芽)的專屬PCM接口的雙CODEC也有其使用上的好處
以下針對音頻系統中的幾個重要組成進行規劃上的分析
頻率與接口
共享通信與應用子系統的內部電路雖然可行但對於接口來說並非如此因為不同的音頻應用得在獨立的頻率區域中以自己的頻率來運作只要情況仍是如此整合性智能型手機的CODEC就需要同時有PCM接口和獨立的IS或AC連結接口
在非移動性的設備(如PC)中音頻頻率通常由一個石英振蕩器(crystal oscillator)來產生但在智能型手機的設計中為了避免額外的耗電板面空間和頻率芯片的成本設計者偏向於將HiFi音頻所需的頻率功能從既有的頻率中獨立出來由於低耗電低噪音的鎖相回路(PLL)能被以相對較低成本整合到混合訊號芯片當中所以今日芯片廠商的作法是將一顆或兩顆PLL整合到他們的智能型手機CODEC中
麥克風
在智能型手機中最難的設計議題往往與麥克風(Mic)有關一般來說至少有兩個麥克風需要考慮一是內建的內部麥克風和插入耳機(headset)的外部麥克風此外可能還會有用於噪音消除(noise cancellation)或立體聲錄音的額外內部麥克風以及車用免提功能所需要的另一個外部麥克風除了講話外這些麥克風也能透過應用處理器的控制來錄制語音短訊或視頻短片中的音效
若要由音頻CODEC芯片來涵蓋各種切換功能此芯片的電路需要做好妥善的設計除了錄音功能CODEC也應提供側音(side tone)的功能這樣一來耳機用戶也能聽到自己的聲音插入偵測功能則能提供無縫的切換功能也就是當耳機插入或拔出時系統會自動轉換使用內部或外部的耳機
人聲(acoustic)的噪噪音消除是另一個問題它需要用到兩個麥克風一個同時接收講話的聲音和背景噪音另一個則只接收背景噪音模擬的作法往往不足夠因此需要透過數字信號處理來加強而音頻CODEC需達成兩個麥克風訊號的數字化任務
另一個問題是室外風聲噪印的問題它的頻率通常低於Hz因此透過高通(highpass)濾波器就能處理掉但這樣一來在室內錄音時就少了低頻部分的聲音對於兩用的麥克風來說這個過濾器應該是可選用的但很多的音頻ADC中都已內建了這顆highpass濾波器因此手機廠商應針對需求選擇合用的解決方案
外接耳機
手機外接耳機(headset/headphone)的使用也需要特殊的模擬電路也就是當耳機插入時音頻輸出信號就能繞徑到耳機上頭雖然整合機械性開關的插槽(socket)能夠滿足此要求但它的尺寸過大且昂貴此外揚聲器的音量大小可能也不適合這個耳機為內部與外部音頻提供獨立的音量控制可以解決此問題而且也能使用較簡單的插槽設計這一外接耳機是否具有麥克風也需要被偵測出來這可以通過是否感測到偏流(bias current)來分辨如果沒有電流流動那就表示沒有麥克風被插入智能型手機的音頻CODEC中應加入這一電流傳感器進而能因應不同情況達成音頻輸入輸出的處理
揚聲器
智能電話在先後增加了多音調振鈴MP播放及FM廣播等功能後其播音系統也朝向立體聲揚聲器來發展在手機揚聲器的設計上主要的問題是配置架構功率與耗電性的考慮
若要支持立體聲手機需要有兩個外部揚聲器但由於手機體積太小這兩個揚聲器的位置難以拉開所以立體聲的效果不易展現這時就需要采用特殊的D效果處理若是要支持免持聽筒的功能那就需要連結到另一個較大的揚聲器上為個別揚聲器提供專屬的模擬輸出是最好的方式但電源管理上必須有相應改變
由於揚聲器功率放大器會用掉大量的供電當它們不使用時關掉電源是很重要的智能型手機的音頻CODEC能提供一些電源管理功能為個別揚聲器的輸出做好開關管理這樣一來能避免不需要的電源消耗此外系統電源管理方案中的電壓穩壓器通常無法為揚聲器提供達到最大音量所需的功率因此CODEC芯片廠商采用加入芯片內揚聲器的作法也就是直接通過電池來驅動揚聲器這樣做雖然不見得能降低耗電但它也省下了對額外電壓穩壓器的需求
鈴聲
近幾年來手機鈴聲愈來愈復雜從單純的響鈴到和弦鈴聲再到各種聲音都能制作成立體聲的WAV和MP格式MIDI已成了和弦鈴聲的標准格式很多廠商為這一應用推出專屬的低耗電MIDI芯片要在音頻次系統中整合MIDI芯片CODEC上需要有額外的模擬輸入
這些額外的輸入對於FM收音機IC的連結也是有用的能為多媒體應用提供附加功能MIDI音頻的產生當然也能由音頻CODEC來產生但現今市場的趨勢是以特殊的鈴聲文件來儲存並通過現存的HiFi DAC來播放欠缺MIDI軟件庫的CODEC芯片廠商並不會積極去做這件事情
結語
智能型手機的下一步會如何？就HiFi的立體聲來說俨然已是必備的系統功能至於IS與AC在手機音頻系統上的競爭仍然會繼續下去有些人喜歡較單純的IS界面但也有人更中意低引腳數和很容易可跑不同取樣速率的AC以智能型手機來說目前多數低耗電的處理器對兩種規格都支持看來兩者還是會並存下去不過對於CODEC的廠商來說要同時支持兩項規格是比較困難的因為AC的VRA(variable rate audio)功能需要和IS不同的頻率架構也需要多出許多額外的數字電路才能做到
不過智能型手機還會不會如PC世界一樣從立體聲走向多聲道的環繞音效格式(Intel的Azalia)呢？在近期內還看不出這樣的可能性因為今日的多聲道效果雖然很炫但芯片的成本和耗電性都還太高這不是手機世界所能接受的但今日否定的答案在未來的電子世界仍存在很大的變量沒有人能說得准的
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