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概述
音頻處理對(duì)于手機(jī)、平板電腦等消費(fèi)電子應(yīng)用和其他大量生產(chǎn)的產(chǎn)品非常重要。面積和功耗往往是關(guān)鍵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而市場(chǎng)要求有高質(zhì)量高保真（Hi-Fi）音頻效果。將經(jīng)過(guò)硅驗(yàn)證和優(yōu)化的音頻IP集成實(shí)現(xiàn)特定的音頻功能，有助降低當(dāng)今多媒體芯片系統(tǒng)的功耗、面積和成本。
隨著設(shè)計(jì)逐漸過(guò)渡到28納米工藝技術(shù)，集成音頻功能這一挑戰(zhàn)變得愈加復(fù)雜，原因是模擬電路并不遵循摩爾定律，也不會(huì)隨著工藝發(fā)展而尺寸減小。采用28納米工藝的晶圓成本會(huì)比65納米或40納米工藝技術(shù)高出許多。數(shù)字電路遵循摩爾定律，雖然晶圓成本提高，但是它的性能和密度也提升了。音頻編解碼器采用的模擬電路一般使用IO器件，因此不會(huì)像數(shù)字電路那樣使用內(nèi)核器件（core device）而減小尺寸。這樣晶圓成本增加的同時(shí)，模擬電路固有性能并沒(méi)有改善，面積也沒(méi)有減小，因此必須開(kāi)發(fā)新的架構(gòu)以減少總面積。例如，采用65納米技術(shù)、面積為2.5平方毫米的音頻編解碼器，在采用28毫米技術(shù)后面積需要減小至1.9平方毫米才能使硅成本保持相同。就是這25%面積的減小構(gòu)成了對(duì)高級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)音頻編解碼器的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
本文研究了將音頻功能集成在28納米移動(dòng)多媒體芯片系統(tǒng)上所面臨的主要系統(tǒng)及技術(shù)挑戰(zhàn)，以及如何通過(guò)以下技術(shù)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)：
·利用摩爾定律，將部分功能從模擬改由數(shù)字來(lái)實(shí)現(xiàn)；
·靈活設(shè)計(jì)，支持芯片系統(tǒng)通用參考時(shí)鐘的音頻采樣速率；
·做好好電源電壓降低和性能之間的平衡；
· 深入了解芯片系統(tǒng)之外的系統(tǒng)功能劃分；
認(rèn)識(shí)到有措施可使系統(tǒng)成本最小化，設(shè)計(jì)人員和系統(tǒng)架構(gòu)師將能夠發(fā)現(xiàn)成本、功能和性能之間的有效平衡，使他們能夠嵌入音頻IP解碼器解決方案，從而幫助他們的SOC在競(jìng)爭(zhēng)中勝出。
音頻編解碼器基本知識(shí)
音頻編解碼器主要由兩類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器模塊組成，即用于錄音的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）和用于回放的數(shù)字-模擬換器（DAC）。對(duì)于立體聲或多聲道解碼器，這些模塊會(huì)被分別復(fù)制。圖1是典型的立體聲音頻編解碼器框圖。 圖中文錄音聲道包括具有音量控制的放大器，可將小信號(hào)麥克風(fēng)和大信號(hào)線纜調(diào)整到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入范圍?；胤怕暤腊軌蛑苯域?qū)動(dòng)耳機(jī)或小型揚(yáng)聲器放大，每路都分別具有音量控制功能。此外還有提供麥克風(fēng)偏置的低噪音電源。
數(shù)字電路有多個(gè)部分構(gòu)成，最重要的是數(shù)字音頻濾波器，它可將數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的過(guò)采樣時(shí)鐘，并消除音頻帶外的高頻噪聲。時(shí)鐘管理也很重要，它可確保不同速率的模塊彼此保持同步，并支持多種采樣速率。
圖1：音頻編解碼器功能性框圖
音頻編解碼器基本知識(shí)
開(kāi)發(fā)高效的28納米音頻編解碼器的第一步是利用更先進(jìn)的工藝減少面積和提高總體性能。采用28納米技術(shù)后數(shù)字性能顯著改善，因此，明智的音頻工程師會(huì)接受而不是反對(duì)向高級(jí)節(jié)點(diǎn)遷移。結(jié)果就是系統(tǒng)架構(gòu)在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)盡可能多的功能。通過(guò)將更多的信號(hào)處理從模擬域轉(zhuǎn)到數(shù)字域，包括音量調(diào)節(jié)、混合和切換，音頻編解碼器可以利用先進(jìn)工藝。結(jié)果是，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器移到離外界接口更近的地方，從而簡(jiǎn)化了模擬布局，其他功能則保留在數(shù)字域，而數(shù)字域受益于先進(jìn)工藝。
通過(guò)將更多信號(hào)處理從模擬域遷移到數(shù)字域，音頻編解碼器可提高符合摩爾定律的數(shù)字電路比例，并減少模擬電路比例。這產(chǎn)生了以數(shù)字為中心的新架構(gòu)。在這種新架構(gòu)中，所有信號(hào)處理都在數(shù)字模塊執(zhí)行，周邊模擬電路包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和異步采樣速率轉(zhuǎn)換器（ASRC），見(jiàn)圖2。ASRC技術(shù)將在下一部分詳細(xì)介紹。
現(xiàn)代移動(dòng)多媒體系統(tǒng)有可能有多個(gè)數(shù)字主控，全部在各自的時(shí)鐘域運(yùn)行。例如，基帶處理器將管理與蜂窩式無(wú)線電的通訊，應(yīng)用處理器將管理來(lái)自系統(tǒng)閃存的媒體文件，而藍(lán)牙集成電路（IC）可連接數(shù)量不限的藍(lán)牙周邊設(shè)備。每個(gè)數(shù)字主控都分別按照異步時(shí)鐘速率運(yùn)行。因此，這一系統(tǒng)中的音頻編解碼器不僅在數(shù)字域和模擬域之間架起了橋梁，而且還在數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)中不同時(shí)鐘域之間進(jìn)行互動(dòng)通訊。
圖2：伴隨數(shù)字音頻主控進(jìn)行以數(shù)字為中心的音頻處理
靈活設(shè)計(jì)支持多個(gè)時(shí)鐘速率
大量數(shù)字主控和時(shí)鐘域給音頻編解碼器，特別是對(duì)高度集成的28納米芯片系統(tǒng)造成了又一個(gè)挑戰(zhàn)。按不同標(biāo)準(zhǔn)速率對(duì)數(shù)字音頻采樣，如表1所示。音頻編解碼器上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器要求的時(shí)鐘取決于音頻數(shù)據(jù)采樣速率和主機(jī)應(yīng)用于芯片系統(tǒng)上的時(shí)鐘。由于存在多種音頻采樣速率和各種主機(jī)時(shí)鐘，它們的組合相當(dāng)復(fù)雜。數(shù)字濾波器可為解決這一問(wèn)題發(fā)揮重要作用，原因是它們可以處理數(shù)字音頻接口和音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)據(jù)采樣，因此能夠進(jìn)行采樣速率轉(zhuǎn)換。
表1：標(biāo)準(zhǔn)音頻采樣速率
由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器必須以過(guò)采樣頻率（通常是128X和256X）運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器所需的主時(shí)鐘頻率介于5-12MHz范圍。因此，音頻編解碼器必須支持各種不同的音頻采樣速率，并適應(yīng)主時(shí)鐘頻率，便于其在應(yīng)用中集成。但是，由于存在多種時(shí)鐘頻率比率的組合與制約，這個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不直接。因此，數(shù)字濾波器必須包括采樣速率轉(zhuǎn)換配置。表2是音頻采樣速率和采樣速率轉(zhuǎn)換不同組合的常用采樣頻率。
表2：音頻采樣速率和采樣速率轉(zhuǎn)換不同組合的常用采樣頻率
為了適應(yīng)所有數(shù)據(jù)速率和可用時(shí)鐘的組合，設(shè)計(jì)人員可采用各種技巧，詳見(jiàn)下一部分。
技巧1：音頻時(shí)鐘使用鎖相環(huán)路
由于一些條件如空間和/或成本的限制，許多應(yīng)用無(wú)法使用音頻編解碼器專用的晶體振蕩器。音頻編解碼器必須能夠支持現(xiàn)有主機(jī)主時(shí)鐘的不同音頻速率（通常是USB時(shí)鐘的12MHz或它的倍數(shù)）。鎖相環(huán)路（PLL）可用于生成所需要的音頻時(shí)鐘。由于要求非常好的頻率分辨率以支持所有頻率組合且，同時(shí)要提供低抖動(dòng)輸出時(shí)鐘，這對(duì)鎖相環(huán)路的性能要求超出了一般標(biāo)準(zhǔn)，而且。因此，最好采用不要求鎖相環(huán)路的其他解決方案。
技巧2：重復(fù)使用沒(méi)有鎖相環(huán)路的USB時(shí)鐘
一種替代解決方案是采用沒(méi)有鎖相環(huán)路的技術(shù)，即重復(fù)使用USB時(shí)鐘和避免為音頻添加專用鎖相環(huán)路。USB是非常很受歡迎的接口，幾乎是普遍存在于所有應(yīng)用中。12MHz或24MHz的時(shí)鐘都可使用，它們的抖動(dòng)相對(duì)較低，而這是音頻的重要要求。24MHz USB時(shí)鐘可支持48kS/s音頻速率及其倍數(shù)的音頻速率，如96kS/s和192kS/s，因?yàn)樗钦麛?shù)倍數(shù)（24，000=125x192）。要使用24MHz USB時(shí)鐘，需要將濾波器采樣速率轉(zhuǎn)換從標(biāo)稱的128倍重新配置為125倍。
但是，44.1kS/s音頻速率只能近似生成。利用136倍采樣速率轉(zhuǎn)換，音頻時(shí)鐘可大約達(dá)到44.1176kS/s，與標(biāo)稱值略有不同，不過(guò)這種差別非常小，難以感覺(jué)到，實(shí)際上音高僅有0.04%的變化。這樣小的變化比半音程小一百倍，而快0.04%的回放速度會(huì)導(dǎo)致3分鐘的歌曲提前10毫秒結(jié)束。
表3列出了12MHz或24MHz USB時(shí)鐘基礎(chǔ)上通用音頻采樣速率的轉(zhuǎn)換因數(shù)。音高誤差是由于44.1kHz音頻采樣速率轉(zhuǎn)換倍數(shù)不是整數(shù)。
表3：USB時(shí)鐘頻率與音頻時(shí)鐘采樣比率
技巧3：采用采樣速率轉(zhuǎn)換器
音頻互連時(shí)，采樣速率轉(zhuǎn)換器（SRC）具有靈活性和簡(jiǎn)易性，因此常常與不含鎖相環(huán)路的技術(shù)結(jié)合在一起使用。基本來(lái)說(shuō)，數(shù)字濾波器改變了數(shù)據(jù)采樣頻率。它可以增大采樣頻率（上采樣）或減小采樣頻率（下采樣）。它可以“同步”和“異步”運(yùn)行。如果是同步采樣速率轉(zhuǎn)換器，輸入輸出速率固定。如果是異步采樣速率轉(zhuǎn)換器，輸入輸出速率的其中之一或二者都發(fā)生變化，濾波器被自動(dòng)重新配置。它利用速率估算法來(lái)持續(xù)跟蹤輸入輸出采樣速率之間的比率。當(dāng)系統(tǒng)的接收器必須“鎖定”到由單獨(dú)的晶體振蕩器計(jì)時(shí)的音頻源的時(shí)候，異步采樣速率轉(zhuǎn)換器（ASRCs）通常會(huì)用到。
典型應(yīng)用需要以不同的采樣速率在音頻源之間多路選擇。通過(guò)ASRC重采樣到共用時(shí)鐘，采樣速率為44.1kS/s的數(shù)據(jù)可以與48kS/s的其他數(shù)據(jù)一起進(jìn)行多路選擇。
同樣的過(guò)程可用來(lái)將采樣速率相同但來(lái)自異步時(shí)鐘的材料進(jìn)行多路選擇。
另外一種應(yīng)用是對(duì)主機(jī)時(shí)鐘上進(jìn)入的音頻流重新采樣，但它不一定是標(biāo)準(zhǔn)音頻頻率。例如，它可以是來(lái)自手機(jī)通訊廣播的時(shí)鐘。
管理好電源電壓降低后的性能平衡
耳機(jī)功率要求
音頻信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍廣，通常峰值非常明顯（見(jiàn)圖3）因此，音頻驅(qū)動(dòng)必須有足夠的輸出功率支持所有聽(tīng)取聲壓級(jí)，并且峰值不會(huì)飽和。
對(duì)于典型的聽(tīng)取聲壓級(jí)來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)必須能夠支持峰值功率高出平均功率至少15分貝。例如，典型的32歐姆耳機(jī)靈敏度大約為95分貝，這意味著該耳機(jī)產(chǎn)生出95分貝聲壓級(jí)，輸入信號(hào)為1mW。為了產(chǎn)生出100分貝聲壓級(jí)來(lái)支持表4中的音樂(lè)高音音域，峰值與均值之比為15分貝，耳機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)必須能夠支持115分貝聲壓級(jí)，對(duì)應(yīng)提供100mW峰值功率。功率100mW的耳機(jī)，時(shí)間久了會(huì)損害聽(tīng)力。因此，為了呈現(xiàn)舒適充分的收聽(tīng)體驗(yàn)，耳機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用的最大峰值功率為40mW。
圖3：典型音頻輸出（經(jīng)典音樂(lè)）
表4：聲壓實(shí)例
從3.3伏和2.5伏遷移到1.8伏電源
輸出驅(qū)動(dòng)必須為耳機(jī)和揚(yáng)聲器提供大輸出電流，并且失真最小。對(duì)應(yīng)的輸出器件往往很大，不會(huì)隨著工藝發(fā)展而變小。在65納米和40納米工藝中，許多集成的音頻編解碼器為模擬電路使用2.5伏電壓的晶體管，還通過(guò)將2.5伏器件超載至3.3伏來(lái)增加音頻性能。
但是，在28納米工藝，大多數(shù)芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)都將過(guò)渡到1.8伏IO晶體管。將供給電壓限制在1.8伏，會(huì)對(duì)音頻輸出性能產(chǎn)生根本性的制約。目前，最大輸出電壓擺幅限制在0.6VRMS，而電源電壓3.3伏時(shí)擺幅為1.1 VRMS。32歐姆耳機(jī)的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出功率限制在11mW。在過(guò)去的65納米和40納米工藝時(shí)代，耳機(jī)驅(qū)動(dòng)能夠從較高電源電壓提供40mW功率。
在電源電壓為1.8伏的28納米工藝中采用輸出驅(qū)動(dòng)的平衡方法
當(dāng)今市場(chǎng)上的許多設(shè)備，包括各種商業(yè)化的智能手機(jī)和平板電腦，提供給耳機(jī)的輸出功率不到10mW。這種情況下，對(duì)1.8伏電源電壓沒(méi)有輸出性能限制。有些芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在明知有更高電源電壓可用的情況下，有意讓音頻編解碼器工作在1.8V，目的是降低總體功耗。
對(duì)于為達(dá)到更好收聽(tīng)體驗(yàn)所要求的40mW而提供更高輸出功率的移動(dòng)多媒體設(shè)備，許多都使用外置音頻IC，例如，智能手機(jī)和平板電腦有拆解報(bào)告，你會(huì)發(fā)現(xiàn)他們使用專用的音頻編解碼器IC。在這些情況下，使用外置音頻IC不再有28納米工藝電源電壓的限制，但代價(jià)是使用功率更高、面積更大、成本更高的額外元件。
有兩種方案都支持耳機(jī)直接從芯片系統(tǒng)獲得較高的輸出功率，并消除外置音頻編解碼器IC帶來(lái)的系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。
· 第一個(gè)方案就是使用USB接口所需的3.3伏電源電壓。絕大多數(shù)移動(dòng)多媒體芯片系統(tǒng)至少有一個(gè)USB接口，因此都有3.3伏電源電壓。由于電源電壓用于高速USB接口，因此可能會(huì)限制其支持的電流負(fù)荷，以確保USB性能不受影響。
·第二種方案是使用電荷泵生成3.3伏電源電壓，這需要利用現(xiàn)有的1.8伏電源電壓和形成負(fù)1.8伏電源電壓，如圖4所示。由于線路輸出和耳機(jī)驅(qū)動(dòng)所需電流相對(duì)較低，電荷泵的開(kāi)關(guān)可以很小。負(fù)電源電壓的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，輸出驅(qū)動(dòng)將在地成為中心，形成真實(shí)地（true ground）而不是虛擬地（vitual ground），使音頻編解碼器輸出直接連接其他設(shè)備，無(wú)需使用大的隔直流電容器。
在以上兩種方案中，1.8伏的器件需要正確地進(jìn)行級(jí)聯(lián)，以承受3.3伏電源電壓。級(jí)聯(lián)由串聯(lián)在一起的堆疊晶體管組成，需占用額外的硅芯片面積。不過(guò)，如果采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)技術(shù)，如擴(kuò)散-合并（diffusion-merging）布局技術(shù)，可盡量減小增加的面積。
圖4：true ground輸出驅(qū)動(dòng)可提供以ground為中心的輸出信號(hào)，不需要使用隔直流電容器。
深入了解芯片系統(tǒng)之外的系統(tǒng)分區(qū)
在一些情況下，性能降低可顯著削弱系統(tǒng)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)就是其中之一。典型的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)必須將最高500mW的功率傳輸?shù)?歐姆負(fù)荷中。這在3.3伏電源電壓工藝能力范圍之內(nèi)。但是，對(duì)于1.8伏電源電壓的28納米芯片系統(tǒng)而言，限制在300mW和4歐姆負(fù)荷范圍內(nèi)。但是，只有1.8V電壓驅(qū)動(dòng)晶體管門，必須大量增加驅(qū)動(dòng)晶體管個(gè)數(shù)，以支持大電流要求，這會(huì)導(dǎo)致硅面積成本高昂難以承受。
最理想的情況是，高壓工藝可用來(lái)產(chǎn)生所需電源。幸運(yùn)的是，移動(dòng)多媒體設(shè)備都使用電池，有一些電源管理集成電路（PMICs）用來(lái)在整個(gè)系統(tǒng)中合理分配電壓，并監(jiān)控電池的充電和放電狀態(tài)。許多這些設(shè)備都采用高壓模擬工藝制成，完全能夠驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器輸出。
圖5提供了在移動(dòng)多媒體系統(tǒng)中部署揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)的四種常用方案。第一個(gè)是完全將驅(qū)動(dòng)集成到芯片系統(tǒng)中（圖5a）。第二個(gè)方案是將整個(gè)音頻編解碼器功能轉(zhuǎn)移到專用的音頻集成電路，并在專用音頻集成電路和芯片系統(tǒng)之間采用I2S數(shù)字接口（圖5b）。第三種方案是將所有音頻功能集成到芯片系統(tǒng)（但揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)除外），并使用低成本的專用揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)（圖5c）。第四個(gè)方案是將揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)集成到電源管理集成電路（PMIC）中（圖5d）。由于PMIC已經(jīng)支持高壓和大電流，它是放置大功率電路的理想位置。
如果音頻編解碼器所占面積大小充分合理并能夠保證集成到芯片系統(tǒng)中，將揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)集成到PMIC中可降低系統(tǒng)成本和功耗，并減少元件數(shù)量。如果找不到帶有集成揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)的PMIC，或是它與系統(tǒng)不兼容，可使用專用的揚(yáng)聲器功放代替。這種方法具有集成PMIC的許多優(yōu)點(diǎn)，只是需要額外IC（盡管體積很小）。
圖5：將揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)植入移動(dòng)多媒體系統(tǒng)中的不同方案
小結(jié)
在28納米芯片系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)音頻編解碼器的模擬功能需要采用新方法新技術(shù)，而先進(jìn)工藝既有優(yōu)點(diǎn)，也有局限性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只需牢記以下技術(shù)，就可開(kāi)發(fā)出高性能低成本的音頻系統(tǒng)。
·利用摩爾定律，將功能轉(zhuǎn)移到數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)。28納米工藝的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字電路的密度和性能。設(shè)計(jì)人員需要考慮哪些音頻編解碼器功能可以遷入數(shù)字域，以利用工藝上的改進(jìn)，并將模擬模塊重點(diǎn)集中在外界的接口上。
· 靈活設(shè)計(jì)多種時(shí)鐘速率。音頻采樣速率有多種頻率。音頻編解碼器應(yīng)非常靈活，支持采用芯片系統(tǒng)參考時(shí)鐘（如12MHz USB時(shí)鐘）的音頻采樣頻率，以簡(jiǎn)化IP集成。
·管理好電源電壓降低后的性能平衡。電源電壓降低至1.8伏造成輸出功率受限，但仍符合當(dāng)今市場(chǎng)上許多便攜產(chǎn)品實(shí)際的輸出功率要求。不過(guò)，使用電荷泵和特殊的級(jí)聯(lián)，有可能在芯片上產(chǎn)生高電源電壓，支持良好收聽(tīng)體驗(yàn)所需的輸出功率。
·深入了解芯片系統(tǒng)之外的系統(tǒng)分區(qū)。并非每一個(gè)功能都必須集成到芯片系統(tǒng)。有些功能，如揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)，植入電源管理集成電路（PMIC）或作為獨(dú)立的集成電路使用有利于提高性能和降低系統(tǒng)成本。
系統(tǒng)和芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員考慮將音頻編解碼器功能集成的關(guān)鍵是充分理解：1）集成的意義在哪里？2）不集成的意義在哪里？3）如何具備充分的靈活性來(lái)支持不同使用模式和要求？新思科技的DesignWare IP開(kāi)發(fā)出了經(jīng)過(guò)硅驗(yàn)證、功能全面的音頻編解碼器，使芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在成本與性能之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡，并能夠?qū)Ｗ⒂谌绾螌?shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。
——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)11月《視音頻技術(shù)特刊》“透視新設(shè)計(jì)欄目”，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，違者必究！
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