混合信号音频子系统实现便携式产品高性能音频

引言

功能手机、智能手机、PDA 以及其它许多手机派生产品正在取代许多便携式电子设备的地位。这种功能融合，在减少消费者携带设备数量的同时，扩大对系统的音频要求，并增加了设计人员解决音频难题的负担。

随着音频需求的增加，系统设计人员可以选择使用分立音频功能模块的方法。然而，在混合信号系统中采用这种方法是多线作战。在数字领域，提供多种采样率、格式和数字式电平会使复杂性呈指数级增长。在模拟领域，信号偏置于不同的电平水准，同时需要混合和切换、放大和衰减，且容易拾取噪音。事实上，目前便携式媒体设备具有10～20 条不同的音频信号路径非常普遍。在这种迷宫中找到一条道路是一项艰巨的任务。混合信号子系统通过集成多种有效要素，帮助解决这类问题。

信号路由

混合信号子系统的最显著的特点是它能够将许多信号路由到多个地方。凭借使用路由信号，便携式媒体设备或手机能够执行许多任务。混合信号音频子系统的示例如图 1 所示。



例如，考虑一个同时具备手机和数字音频播放器功能的系统。来自手机基带的脉冲编码调制 (PCM) 数字信号需要连接到数模转换器 (DAC)，继而连接到耳机放大器供耳机使用。同一耳机放大器也适用于数字音频播放器，这是一个 I2S 数据流，通过 DAC 播放然后连接到耳机。具有双数字音频端口的混合信号子系统可以轻松完成此任务。

具备多路复用能力的混合信号音频子系统的另一个优点是能够处理模拟FM收音机信号。虽然调频收音机信号电平通常是受到控制的，但它们常常超出规格。这些超出规格的电平通常比预期大得多，这可能会导致扬声器损坏。混合信号音频子系统可以将FM信号数字化，使用DSP从而提供自动电平控制(ALC)和均衡，然后转换回模拟信号以便放大给扬声器或耳机。此外，混合信号子系统可以将数字化的信号传递给基带处理器，以便进行更多 DSP 处理。

除了音频路由和处理之外，混合信号子系统还可以混合多个音频流。通过将来自麦克风的信号混合到耳机中，由此产生侧音。同样，可以在听音乐的同时播放铃声，而无需使音乐静音。
拥有两个数字音频端口可以使混合信号音频子系统成为在系统内连接数字音频的强大工具。例如，I2S 数字音频流可转换为PCM并发送到基带。或者，可以使用相同方法将48kHz的I2S接口数据流转换为44.1kHz信号。

受益于双数字音频端口和采样率转换的一种应用是蓝牙桥。混合信号音频子系统提供从蓝牙收发器到基带的连接桥。如果需要，可以执行采样率转换，以及数字均衡。这种连接的示例如图2所示。



通过混合信号音频子系统连接到蓝牙收发器使许多案例成为可能。显然，电话机能够处理双向语音。蓝牙收到的音频信号能够发送到扬声器或耳机中。FM收音机信号在混合信号子系统中进行数字化并发送到蓝牙耳机。基带处理器可以将来自闪存的数字音频通过混合信号子系统发送到耳机或放大器，如具有蓝牙功能且能够帮助实现汽车中立体声效果的扩充口或耳机。

D类输出功率

D类扬声器放大器凭借其高效率正在成为智能手机和多功能手机的业界标准。D类放大器的优势在于输出功率。高输出功率的D类放大器能够实现手机扬声器达到响亮清晰的水准。在环境噪音较大的区域(如火车站和机场)，通常需要迅速分辨铃声。

功能手机或智能手机也常常用于媒体资源共享。比如，与朋友分享一首歌或与同事共享信息。

混合信号音频子系统拥有高功率的D类放大器。例如，LM49352通常可用4.2V信号将970mW 传递到8Ω负载，总谐波失真及噪音(THD+N)仅为1%。这样出众的输出功率确保在较高的音量水平下清晰传递消息。

一项最新应用在手机中的功能是微型投影仪。微型投影仪在高输出功率标准下，可以实现与一群人共享视频。

PSRR

移动电话凭借开关模式电源(SMPS)高效提供多种电源电压。除了SMPS电源产出高频噪音之外，手机本身也会借助RF功率放大器(PA)循环供电。这种 PA 循环频率发生在音频频带中，通常为217Hz。

所有这些噪音源会降低手机的音频质量，有时会非常严重。混合信号音频子系统中一个最主要的特性是对这些噪音具有高抵抗力。混合信号音频子系统的电源抑制比(PSRR)可达90dB或更高，最大限度地减少了这些来源导致的任何噪音。例如，混合信号音频子系统LM49350的耳机放大器的PSRR测试结果表明，该器件在217Hz时的PSRR为95dB，且在较高频率区域的保持高音频质量。

高PSRR对系统具有巨大的价值。混合信号音频子系统的模拟电源可以直接连接到电池，源自 SMPS的数字电源可用于产生其它数字核心电压。由于混合信号音频子系统本身能抑制噪音，因此不需要额外的低压降稳压器(LDO)或被动式滤波器来消除噪音。

单独的耳机电源

几乎所有便携式媒体设备具有的通用功能是其立体声耳机连接。与耳机的连接一般采用标准的3.5mm插孔、专用连接器或迷你USB接口的变形。在所有这些情况下，耳机阻抗通常约为32Ω。一个充电泵产生负电压的真正接地的耳机放大器，只需施加1V电压到32Ω负载，即可提供16mW的功率。对大多数用户来说，16mW 已非常响亮，所以实际所需的电压要低得多。

因为耳机放大器是AB类，所以单独及较低电源电压的耳机需要具备显著的功率优势。在图3中，两条曲线显示具有AB类输出的单通道理想放大器。只需将耳机电源从3.3V降低到1.8V，即可节省能耗45%。虽然D类放大器在理论上将节省更多能源，但它需要体积较大且比较昂贵的LC输出滤波器。而且，未知的耳机线长度和负载阻抗也会使滤波器的设计变得非常困难。



高SNR数据转换器

高性能的数据转换器是使几何处理技术水平日益下降的一个因素。遗憾的是，手机中的基带IC凭借先进的处理技术，可以在最小尺寸和最低功耗水平下提供较高的性能。虽然它实现了这些优点，但是在基带DAC和ADC中维持较高的信噪比(SNR)变得越来越难。

手机的多功能融合加剧了这种性能的下降。如果它们只是用作手机，就没有太大的问题。然而，对许多人来说，手机也是他们的便携式音乐播放器。这使信噪比要求特别是在使用高品质耳机的时候，从电信质量提高到高保真。

有人可能会提出异议，认为SNR超过90dB将造成浪费，但实际上这是不正确的。的确，绝大多数音频便携式媒体设备起源于CD音质(44.1kHz 采样，16位分辨率)，且使用MP3之类的算法压缩至更低的分辨率和保真度。然而，对于正常听力水平，大多数耳机对2mW左右的功率具有足够的灵敏度。针对SNR设定的标准是40mW或更高的满载输出，因此设计人员只损失了大约26dB SNR。

由数模转换移出基带的另外一个优点是可以让DAC更贴近负载。与模拟信号相比，数字信号具有更高的抗噪能力。混合信号子系统消除了从基带DAC到外部放大器的布线，从而消除了这种噪音来源。

结语

与分立电路模块实现方法相比，混合信号音频子系统具备许多无法比拟的优势。这些优势包括：节省空间、降低功耗、增加功能和提高性能。随着市场上消费者对多种功能需求的日益增加，系统设计人员通过采用混合信号音频子系统能够节省大量时间。