中心議題：
- 采用WM8994設(shè)計智能手機(jī)的十大訣竅
- 采用WM8994將大幅改善音頻性能
- 經(jīng)得起未來檢驗的音頻性能
解決方案：
- WM8994采用以調(diào)制解調(diào)器為應(yīng)用中心
- 音頻中心(Hub)解決方案
如今，智能手機(jī)中以應(yīng)用為中心的設(shè)計已經(jīng)成為主流趨勢，同時這類設(shè)計中的外設(shè)功能如各種調(diào)制解調(diào)器已經(jīng)被卸載到各種獨立的芯片組中。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因有許多，一部分是由于激烈的市場競爭所致，包括那種希望通過領(lǐng)先性能來實現(xiàn)差異化，還有手機(jī)制造商方面所面臨的快速上市壓力，以及與多媒體技術(shù)和無線芯片組領(lǐng)域里不同的技術(shù)發(fā)展思路交織在一起?！ ?br />
對各種應(yīng)用處理器“功能驅(qū)動”的創(chuàng)新來說，其趨勢往往是偏離了“標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動”的發(fā)展道路，而偏向于無線通信芯片組的開發(fā)潮流。這些領(lǐng)域里所需的核心能力是有所不同的：藍(lán)牙、蜂窩或Wi-Fi芯片組需要滿足各自的規(guī)范，同時要求成本最低，而且功耗也要有競爭力；此外，為了應(yīng)對競爭，應(yīng)用處理器需要在其數(shù)字功能和性能上實現(xiàn)很大程度的差異化。日益激烈的競爭已經(jīng)把單芯片解決方案提供商的能力發(fā)揮到了極限，要想在器件功能的所有方面都能夠維持其領(lǐng)先優(yōu)勢已經(jīng)是不再切合實際了。如今，成本和上市時間方面的壓力正在驅(qū)使業(yè)界開發(fā)具有更有效分工的解決方案，從長遠(yuǎn)來看，這樣做無論是對芯片設(shè)計師還是對消費者來說都是有利的，因為這可使芯片組提供商將精力集中在他們做得最好的地方，并在系統(tǒng)中消除許多浪費成本的重復(fù)功能。
過去，這些外設(shè)功能通常是集成在一些應(yīng)用處理器或調(diào)制解調(diào)器中，其目的是為了通過集成來增值。由于時間和成本方面的壓力，使得它們的實現(xiàn)方案常常不盡如人意，特別是那些需要專業(yè)技能的地方。長期以來，音頻是過度集成的受害者，音頻功能的實現(xiàn)不但重復(fù)而且質(zhì)量較差，原因在于音頻的實現(xiàn)都是依賴于兩個或者更多的芯片組，再加上由系統(tǒng)集成商外加的一大堆“補(bǔ)丁”器件，由此來支持他們終端產(chǎn)品所需的混音、切換、爆破音和咔嗒噪音抑制以及功率放大。
歐勝微電子推出的音頻中心編碼解碼器WM8994充分利用了最新的、以應(yīng)用為中心的調(diào)制解調(diào)器架構(gòu)，這種架構(gòu)整合了所有的混合信號音頻功能，可確保選用低成本的處理器來成功實現(xiàn)系統(tǒng)，以及保證各種數(shù)據(jù)來源的音頻信號通路特性的一致(圖1)。
圖1：WM8994采用以應(yīng)用為中心的調(diào)制解調(diào)器架構(gòu)。
WM8994中集成了多種的模擬和數(shù)字I/O，目的是為了驅(qū)動手機(jī)中所有類型的音頻換能器，同時還要實現(xiàn)與各種處理器之間的接口連接，例如用來處理藍(lán)牙收發(fā)器、FM調(diào)頻收音機(jī)、蜂窩調(diào)制解調(diào)器以及應(yīng)用處理器等。如此高水平的音頻集成，在為手機(jī)帶來靈活性、一致性以及高性能等好處的同時，在設(shè)計階段只需要投入很少的規(guī)劃，即可最有效地發(fā)揮系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢。
對于絕大多數(shù)混合信號系統(tǒng)，應(yīng)關(guān)注時鐘方案和系統(tǒng)噪聲的良好控制，再加上采用好的電源、接地方案和一個低噪聲基準(zhǔn)，這樣就能實現(xiàn)最優(yōu)化的系統(tǒng)性能。不過，對于復(fù)雜的音頻系統(tǒng)來說，除此之外還有許多其他方面的挑戰(zhàn)。下面的設(shè)計技巧將告訴設(shè)計工程師如何在挑戰(zhàn)性極強(qiáng)的智能手機(jī)環(huán)境中充分發(fā)揮WM8994的優(yōu)勢?！ ?br />
采用WM8994設(shè)計智能手機(jī)的十大訣竅
1．提前規(guī)劃音頻應(yīng)用場景。對于每一種應(yīng)用，首先要搞清楚究竟都有哪些芯片組會啟動，然后要搞清楚信號具體從哪里來，又要到哪里去？同時最高效的傳輸路徑是什么？在音頻流傳輸?shù)倪^程中必須要考慮到一些意外的事件發(fā)生。例如，當(dāng)一個特定的音頻通道激活的時候，如果發(fā)生某個事件，結(jié)果將會是什么？該通道應(yīng)該是被中止？衰減？與別的某種聲音混合？或者是重新尋找其他傳輸路徑？實際上會有多少這類的小型應(yīng)用會同時運(yùn)行？
2．要為關(guān)鍵應(yīng)用場景勾勒出音頻時鐘方案，然后也要為那些邊角應(yīng)用擬出時鐘方案。從“慣例”上來看，今天的邊緣應(yīng)用就可能是明日的“必備”功能。要確保各個鎖相環(huán)(FLL)、時鐘分配器和音頻接口都配置妥當(dāng)，使得處理器中的存儲緩沖器不會因為非最佳配置而過滿或過空。由于WM8994中有足夠強(qiáng)大的時鐘可編程能力，因此能夠覆蓋絕大多數(shù)的場景；但值得考慮的問題是，F(xiàn)LL基準(zhǔn)時鐘應(yīng)當(dāng)來自每個應(yīng)用的什么地方？究竟哪一個端口應(yīng)該被配置成操作主模式？通過多個時鐘輸入引腳中的一個來連接到始終喚醒的32KHz時鐘，就能夠在許多情況下實現(xiàn)功率節(jié)省，特別是在需要一個時鐘對GPIO輸入進(jìn)行去抖動的待機(jī)模式，或者是在簡單的低功率音樂回放模式中。利用音頻接口位時鐘和幀時鐘作為FLL的基準(zhǔn)輸入，就不再需要另外的高頻主時鐘輸入，從而實現(xiàn)了功率節(jié)省。
WM8994的采樣率轉(zhuǎn)換器允許該器件在兩個彼此完全獨立的時鐘域內(nèi)工作，支持音頻混合和發(fā)送(路由)跨越這些時鐘邊界。由于器件的采樣率轉(zhuǎn)換器工作在兩個全雙工通道中的最大的一個上，因此，當(dāng)采樣率轉(zhuǎn)換器連接到音頻接口2和/或音頻接口3上時，幾乎沒有什么限制，而音頻接口2和3通常是連接到幾乎很少需要多于一個或兩個并發(fā)通道的無線芯片組的接口?！ ?br />
[page]
3．不用擔(dān)心采用D類工作模式的喇叭放大器。這種模式的放大器所節(jié)省的功耗是非常多的，所節(jié)省的功耗通?？梢赃_(dá)到幾十甚至幾百毫瓦。隨著更多采用立體聲喇叭的手機(jī)出現(xiàn)在市場上，節(jié)省的功耗自然會翻倍。設(shè)想一下，如果所節(jié)省的功率預(yù)算能夠用于系統(tǒng)中其他的功能，對于那些對D類放大技術(shù)不太熟悉的工程師來說，數(shù)據(jù)手冊都給出了有關(guān)各方面的具體建議，包括電磁兼容(EMC)設(shè)計、如何選用喇叭、如何提高效率以及如何實現(xiàn)最佳的電路板設(shè)計。在早期的手機(jī)設(shè)計中，人們通常比較關(guān)注EMC；而如今，設(shè)計工程師則往往關(guān)注熱設(shè)計，因為實際上在某些案例中，熱耗散對手機(jī)性能的約束更大。于是設(shè)計工程師們開始對電源利用效率予以更多的關(guān)注。D類放大器具有更高的效率，因而減小了喇叭放大器所用電源上的電流浪涌，這種浪涌會引起電池電壓的下降以及系統(tǒng)更早停止工作，并縮短電池壽命，尤其是這種浪涌與系統(tǒng)中其他的電流浪涌一起出現(xiàn)時，上述問題將更加嚴(yán)重。電池壓降幅度的減小將有助于降低高信號電平上的失真，而在有的場合還將提供更大的空間來提高喇叭的最大輸出信號?！ ?br />
4．在可能的地方，都應(yīng)該用數(shù)字連接來替代到調(diào)制解調(diào)器的模擬連接。盡管WM8994也能夠支持模擬語音數(shù)據(jù)通道，不過這種模擬方案會占用更多的系統(tǒng)級功耗，從而更容易遭受串?dāng)_侵害，這在很多情況下會導(dǎo)致PCB返工，并且會增加由信號通道上無源元器件的額外成本及電路板面積開銷(圖2)。
圖2：采用WM8994將大幅改善音頻性能?！ ?/p>
例如，當(dāng)在編解碼器與調(diào)制解調(diào)器之間利用脈沖編碼調(diào)制(PCM)鏈路來傳送一個有線耳機(jī)的語音呼叫時，如果連接到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，將會支持在耳機(jī)輸出來激活W類模式，這將使編解碼器節(jié)省功耗；同樣還通過關(guān)閉通常功耗較大的內(nèi)置DAC，也能使調(diào)制解調(diào)器節(jié)省功耗。在一個聽筒呼叫或者免提模式下，利用數(shù)字連接，還允許喇叭調(diào)諧采用集成式參數(shù)均衡(EQ)，而且EQ設(shè)置的控制只需要通過一個器件(通常是應(yīng)用處理器)即可實現(xiàn)，而非依賴于兩個或三個處理器來重復(fù)相同的調(diào)諧功能?！ ?br />
5．在可能的地方，應(yīng)該在系統(tǒng)級而非在器件級考慮數(shù)字麥克風(fēng)的好處。摒棄過長的模擬麥克風(fēng)連線，有助于減少成本并節(jié)省空間。如今，為了降低噪音，麥克風(fēng)陣列正在普遍被采用，而隨著手機(jī)麥克風(fēng)數(shù)量的增加，在眾多麥克風(fēng)信號通道的布線中，其中某個通道靠近噪聲源的可能性很高。盡管通過差分連接和精心布線可以改善噪聲的免疫能力，但在信號通道中對高質(zhì)量電容器的需量卻高達(dá)一倍。利用數(shù)字連接將能夠改善噪聲免疫能力，為此，WM8994提供多達(dá)4個的數(shù)字麥克風(fēng)通道。必須注意，為了獲取最佳性能，在采用麥克風(fēng)陣列時，選用具有最佳匹配特性的麥克風(fēng)是至關(guān)重要的。
6．要確保將應(yīng)用處理器的串行接口連接到WM8994，這樣能夠支持所有各種音頻應(yīng)用所需的最高采樣率。另外，還需檢查支持像麥克風(fēng)陣列處理或多路并發(fā)音頻數(shù)字流處理這類大處理量所需的TDM通道的數(shù)量。
7．應(yīng)選擇一個有效的電源管理架構(gòu)。實際上WM8994只需要兩個外部電源電壓。通常，一個是直接連接到電池，而另一個則是連接到1.8V電源上。由于1.8V的電源為電荷泵供電，進(jìn)而為參考電平為地電平的耳機(jī)放大器供電，因此，對于該電源，最好是采用一個高效率的開關(guān)電源調(diào)節(jié)器，例如，可以用一個低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)供電，以確保耳機(jī)的低功耗性能不受到影響?！ ?br />
8．在為聽筒和有線耳機(jī)聽筒設(shè)置語音呼叫時，在可能的地方，盡可能采用數(shù)字側(cè)音特性；與模擬側(cè)音相比，該數(shù)字通道的風(fēng)噪聲濾波和低延遲能夠提供更為自然的環(huán)繞側(cè)音。而在模擬側(cè)音中，包含有容易令人分心的低頻機(jī)械性分量和風(fēng)噪聲分量，或者在基帶處理器中利用軟件來實現(xiàn)側(cè)音，這樣會引入一些延遲，導(dǎo)致聽起來聲音有一些變化?！ ?br />
9．在耳機(jī)輸出通道中請采用模擬音量控制，或者說至少在低于滿量程以下的初始幾個分貝的范圍內(nèi)使用模擬音量控制。對于噪聲性能的改善來講，這樣做可能帶來額外4個分貝的收益，這對于如今的高靈敏度耳麥來說可是無價之寶。由于近年來耳機(jī)的聲學(xué)效率有了大幅提高，因而對數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)的信噪比性能和耳機(jī)放大器的噪聲性能方面的要求更加苛刻了；如果DAC中的信噪比性能不足的話，在使用耳麥時就會導(dǎo)致發(fā)出可聽見的音調(diào)或者“嘶嘶”聲。如果采用模擬音量控制的話，WM8994能夠為負(fù)載提供高達(dá)100dB的信噪比，這將使得耳機(jī)上的噪聲額外降低4dB。典型情況下，比起市場上的許多編解碼器，該方案所提供的噪聲性能改善可以高達(dá)10dB。對于用戶來說，通過這個改善可以明顯地感受到的區(qū)別就是能夠直接聽到噪聲與根本聽不見噪聲的巨大差別。
10．需要仔細(xì)地為耳機(jī)輸出選擇串聯(lián)電阻器。在許多國家，對于耳機(jī)的最大輸出功率都有明確的法規(guī)，目的是為了避免損壞聽力，故設(shè)計工程師在選擇電阻值時必須要牢記這一點。該電阻值應(yīng)該小到使得線負(fù)載(例如Hi-Fi輸入)處的輸出電壓衰減在滿量程時還能夠支持1Vrms的電壓，這是人們通常所期望的；另一方面，該電阻值還必須足夠大，以便對于較小的負(fù)載，經(jīng)過適度的衰減，還能夠滿足那些國家有關(guān)耳機(jī)功率方面的法規(guī)要求。對于WM8994而言，由于其輸出功率額定值較高，因此，即便是選用了阻值比較大的串聯(lián)電阻，其耳機(jī)輸出還能夠以非常低的失真水平來驅(qū)動耳機(jī)。1Vrms的輸出即使在總負(fù)載因需求低至32Ω時仍能夠?qū)崿F(xiàn)?！ ?br />
經(jīng)得起未來檢驗的音頻性能
近年來發(fā)展起來的音頻中心(Hub)解決方案，通過將所有所需的音頻功能集整合到一個單芯片上，能夠方便地將高性能應(yīng)用處理器和更具成本效益的調(diào)制解調(diào)器的系統(tǒng)集成在一起。該解決方案消除了系統(tǒng)中的重復(fù)，將元器件的相互依賴降到了最小程度，并為未來產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個穩(wěn)定的平臺?！ ?br />
基于WM8994上豐富的信號通道以及可用的混合功能，在不需要繁重的軟件開發(fā)工作的前提下，為未來各種新的音頻應(yīng)用提供了一個簡單的解決方案。該器件支持眾多的數(shù)字和模擬通道，這將使手機(jī)設(shè)計工程師可以在不需要為系統(tǒng)增添新的音頻元器件的條件下，去實現(xiàn)進(jìn)一步的設(shè)計創(chuàng)新。如果能夠遵從上述有益的系統(tǒng)設(shè)計基本準(zhǔn)則，就完全有可能在范圍極廣的各種應(yīng)用中實現(xiàn)優(yōu)異的音頻性能。
