為高清語(yǔ)音應(yīng)用糾正編解碼器技術(shù)的平衡

整個(gè)行業(yè)正在進(jìn)行的持續(xù)和廣泛的數(shù)字化生動(dòng)地表明，我們現(xiàn)在以越來(lái)越二元的方式代表世界。不難理解為什么；二進(jìn)制是我們?yōu)樘幚頂?shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的最有效的格式，它現(xiàn)在是所有技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)。

對(duì)數(shù)字的關(guān)注讓人很容易忘記模擬也只是表示信息的另一種方式。這個(gè)詞本身實(shí)際上只是意味著“可比”。模擬信號(hào)中沒(méi)有量化的感覺(jué)往往會(huì)被模擬信號(hào)“感覺(jué)”像真實(shí)事物的事實(shí)所掩蓋。雖然它存在，但它是一個(gè)技術(shù)不斷進(jìn)步的領(lǐng)域。

然而，只要以原始格式存儲(chǔ)、傳輸或以其他方式表示聲音、景象、氣味和紋理等事物仍然不切實(shí)際，我們將繼續(xù)依靠傳感器將現(xiàn)實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)化為我們可以使用的數(shù)據(jù)形式與，無(wú)論是模擬還是數(shù)字。

模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC、DAC）無(wú)處不在的特性清楚地提醒我們，我們必須在這兩個(gè)領(lǐng)域之間移動(dòng)。轉(zhuǎn)換有多種形式，可用的 ADC 和 DAC 架構(gòu)種類繁多，反映了基于特定應(yīng)用需求的轉(zhuǎn)換對(duì)精度、可重復(fù)性和穩(wěn)定性的不同需求。在為給定應(yīng)用篩選轉(zhuǎn)換器時(shí)，這可能會(huì)給工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

圖 1：ADC 電路符號(hào)

可能較少混淆的一個(gè)領(lǐng)域是語(yǔ)音數(shù)據(jù)的處理。一般而言，處理音頻和視頻數(shù)據(jù)涉及使用 CoDec 或 Coder-Decoder；一類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，針對(duì)在模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)上運(yùn)行的應(yīng)用程序進(jìn)行了優(yōu)化，這些數(shù)據(jù)包含與音頻和視頻相關(guān)的信號(hào)，包括語(yǔ)音。

轉(zhuǎn)向多媒體

任何類型的轉(zhuǎn)換器都會(huì)引入量化元素，因?yàn)樗举|(zhì)上是在解釋——而不是忠實(shí)地復(fù)制——信息從一種形式到另一種形式。通常，換能器的主要輸出本質(zhì)上是電的，呈現(xiàn)出可測(cè)量的電阻、電容或磁阻變化。出于這個(gè)原因，換能器也是一種濾波器，因?yàn)樗雎粤艘恍┹斎腚娖蕉欣谄渌斎腚娖?。由于音頻和視頻信息的形狀在帶寬和頻率方面可能會(huì)有很大差異，因此編解碼器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是關(guān)注原始信號(hào)的特性。

電話是編解碼器的成熟應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈冊(cè)邴溈孙L(fēng)和揚(yáng)聲器之間提供模擬/數(shù)字接口。然而，最近，半導(dǎo)體制造商專注于開(kāi)發(fā)和推進(jìn)多媒體信號(hào)編解碼器，而不是純粹的語(yǔ)音。智能手機(jī)和平板電腦的出現(xiàn)在編解碼器方面引起了業(yè)界的關(guān)注，這并不奇怪，因?yàn)樗砹艘粋€(gè)與純語(yǔ)音市場(chǎng)相比具有潛在巨大容量的應(yīng)用領(lǐng)域。與電話等傳統(tǒng)語(yǔ)音設(shè)備不同，便攜式消費(fèi)設(shè)備中使用的編解碼器通常需要處理多種類型的數(shù)據(jù)。便攜式多媒體應(yīng)用領(lǐng)域的吸引力意味著近年來(lái)對(duì)更傳統(tǒng)語(yǔ)音編解碼器的投資有所減少。這使得 OEM 在開(kāi)發(fā)面向語(yǔ)音的產(chǎn)品時(shí)別無(wú)選擇。使用多媒體編解碼器或基于可能已有十年或更長(zhǎng)時(shí)間的語(yǔ)音編解碼器的新產(chǎn)品。

這未能認(rèn)識(shí)到新興應(yīng)用對(duì)純語(yǔ)音產(chǎn)品的需求，例如移動(dòng)無(wú)線電、有線電話、語(yǔ)音控制設(shè)備或公共/私人對(duì)講機(jī)。它還抑制了這些設(shè)備的制造商利用現(xiàn)代傳感器的優(yōu)勢(shì)的潛力，這最終將實(shí)現(xiàn)更小、更低功耗和更高性能的解決方案。

配置文件中的語(yǔ)音編解碼器

現(xiàn)有的語(yǔ)音編解碼器可能會(huì)被設(shè)計(jì)為與傳統(tǒng)的駐極體麥克風(fēng)接口。這些會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的模擬信號(hào)，需要在到達(dá)編解碼器之前進(jìn)行預(yù)放大?，F(xiàn)有的語(yǔ)音編解碼器可能無(wú)法集成數(shù)字化語(yǔ)音數(shù)據(jù)所需的必要 ADC 和 DAC，這意味著需要更多外部組件。此外，編解碼器可能不包括輸出功率放大器，這又意味著額外的電路。最后，編解碼器很可能使用傳統(tǒng)工藝節(jié)點(diǎn)制造，這表明超低功耗不是一個(gè)特性。總之，這些缺點(diǎn)使現(xiàn)有的解決方案不適合現(xiàn)代應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序需要一種小型、低成本但高度集成的語(yǔ)音編解碼器，并在低功耗的同時(shí)提供高性能。

然而，除了影響編解碼器的發(fā)展外，便攜式多媒體設(shè)備的興起也促進(jìn)了基于微機(jī)電系統(tǒng)或 MEMS 的傳感器的巨大發(fā)展。最著名的 MEMS 傳感器是加速度計(jì)和陀螺儀；允許便攜式和可穿戴設(shè)備識(shí)別其方向和其他運(yùn)動(dòng)的傳感器。由于它們基于相同的技術(shù)，MEMS 麥克風(fēng)比傳統(tǒng)麥克風(fēng)更小，功耗更低，同時(shí)提供更高的整體性能和更多功能的集成。這消除了對(duì)大量外部電路的需求，同時(shí)為能夠充分利用這一技術(shù)發(fā)展的編解碼器創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

近年來(lái)技術(shù)真正發(fā)展的另一個(gè)領(lǐng)域是 D 類放大器。本質(zhì)上，這是一個(gè)在數(shù)字領(lǐng)域工作的模擬放大器，它的名字呼應(yīng)了其他形式的放大（如A類、AB類）。D 類放大器是 MEMS 技術(shù)的完美補(bǔ)充，但直到最近還比較復(fù)雜，因此難以實(shí)施。然而，D 類放大器提供的效率提升鼓勵(lì)了業(yè)界追求這一領(lǐng)域，我們現(xiàn)在正處于 D 類放大器成為主流的地步。

新一代語(yǔ)音編解碼器

面對(duì)對(duì)適用于最新應(yīng)用的專用語(yǔ)音編解碼器日益增長(zhǎng)的需求，為了解決投資不足的問(wèn)題，CML Microcircuits 開(kāi)發(fā)了 CMX655 系列。

專為支持針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電話和高清語(yǔ)音的語(yǔ)音應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它們集成了許多高級(jí)功能，包括直接連接模擬和數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)的能力。這使得 CMX655 系列在功能和功率效率方面都比通用多媒體編解碼器和現(xiàn)有語(yǔ)音編解碼器更優(yōu)化。CMX655 系列提供了比現(xiàn)有語(yǔ)音編解碼器更高的音頻質(zhì)量和更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這要?dú)w功于它對(duì) MEMS 麥克風(fēng)的支持和 D 類輸出放大器的集成，它能夠?yàn)閾P(yáng)聲器提供高達(dá) 1W 的功率。

圖 2 中的框圖顯示了 CMX655D 的數(shù)字變體，說(shuō)明了主要功能，包括數(shù)字麥克風(fēng)接口、D 類放大器和音頻信號(hào)處理塊。該器件可以同時(shí)連接兩個(gè)數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)，實(shí)現(xiàn)降噪等高級(jí)功能。

圖 2：CMX655D 框圖

通常，MEMS 麥克風(fēng)提供符合脈沖密度調(diào)制 （PDM） 或 IC 間聲音 （I2S） 協(xié)議的串行輸出，這兩種協(xié)議都使用單個(gè)數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并與時(shí)鐘同步。 兩種協(xié)議本質(zhì)上都可以支持同一總線上的多個(gè)麥克風(fēng)信號(hào)，這反映在 CMX655D 的設(shè)計(jì)中，它能夠同時(shí)處理兩個(gè)獨(dú)立但完全同步的麥克風(fēng)信號(hào)。

在數(shù)字輸出 MEMS 麥克風(fēng)中，初始轉(zhuǎn)換發(fā)生在設(shè)備內(nèi)部，通常將前置放大與 PDM 調(diào)制相結(jié)合。輸出隨后由編解碼器處理，編解碼器首先將 PDM 比特流轉(zhuǎn)換為幀數(shù)據(jù)。這涉及使用抽取濾波器從高頻 PDM 信號(hào)中恢復(fù)低頻數(shù)據(jù)。雖然這可以使用 DSP 來(lái)執(zhí)行，但所涉及的軟件算法可能很復(fù)雜，DSP 的成本相對(duì)較高并且總體功耗相當(dāng)大。將此功能作為硬件模塊集成到編解碼器中，有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低系統(tǒng)功耗并降低 BoM 成本。例如，CMX655D 在偵聽(tīng)模式下僅消耗 300μA，這一功能在系統(tǒng)偵聽(tīng)事件的現(xiàn)代應(yīng)用中越來(lái)越普遍，例如數(shù)字助理中的喚醒詞，或安全系統(tǒng)中玻璃破碎的聲音。在這些應(yīng)用中，超低功耗運(yùn)行是一個(gè)重要特性。

CMX655D 提供的集成水平意味著 OEM 現(xiàn)在可以開(kāi)發(fā)具有更簡(jiǎn)單信號(hào)鏈的產(chǎn)品，因?yàn)樗璧拇蟛糠止δ芏技傻絾蝹€(gè)設(shè)備中。它同時(shí)支持傳統(tǒng)電話（300Hz 至 3.4kHz）和高清語(yǔ)音（50Hz 至 7kHz）的帶寬，這將支持提供高清質(zhì)量語(yǔ)音的新一波設(shè)備。這包括電話、PMR（私人移動(dòng)無(wú)線電）和公共/私人對(duì)講系統(tǒng)。其低功耗證書也使其適用于需要保持“始終在線”的安全和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、語(yǔ)音控制消費(fèi)設(shè)備和可穿戴應(yīng)用。這就是與現(xiàn)有語(yǔ)音/多媒體編解碼器相比，CMX655D 的超低功耗將成為真正區(qū)別的地方。

結(jié)論

一段時(shí)間以來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)語(yǔ)音編解碼器的服務(wù)嚴(yán)重不足，這讓 OEM 廠商別無(wú)選擇，只能使用更復(fù)雜、更昂貴的多媒體編解碼器（一種無(wú)法支持最新 MEMS 技術(shù)的語(yǔ)音編解碼器），或者實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理在軟件中。

審核編輯：郭婷