因應多樣化音訊格式與應用 手機音訊全面數位化

2006-11-15
手機音訊功能的複雜程度迅速增加,消費者也開始要求廠商提供更高品質的音訊,如此一來,為了讓手持設備製造商根據不斷變化的市場需求,將功能靈活搭配,簡化音訊架構勢在必行。由於手機原有統一的音訊架構,若要納入各種不同的音訊介面,都會存在一些問題,因此未來的架構勢將全部轉為數位化。業界已成立MIPI聯盟,致力提供標準介面,可以統一手機中的音訊使用和連接,採用這種新介面的元件也即將問世。
手機音訊功能的複雜程度迅速增加,消費者也開始要求廠商提供更高品質的音訊,如此一來,為了讓手持設備製造商根據不斷變化的市場需求,將功能靈活搭配,簡化音訊架構勢在必行。由於手機原有統一的音訊架構,若要納入各種不同的音訊介面,都會存在一些問題,因此未來的架構勢將全部轉為數位化。業界已成立 MIPI聯盟,致力提供標準介面,可以統一手機中的音訊使用和連接,採用這種新介面的元件也即將問世。  

目前音訊的數位資料格式有非常多種,處理時也變得相當複雜。語音通訊通常採用雙向脈波編碼調製(PCM匯流排)的64kbit/s數據通道,並使用A法則和μ法則對數編碼方案,以便從8kHz語音取樣,得到比線性編碼更好的動態範圍。另一個電話語音標準稱為自適應差動PCM(ADPCM),把語音編碼成4 位元的數值,並使用32kbit/s數據通道。  

部分硬體音樂播放器/解碼器具有數位類比轉換器,可提供類比音訊輸出。而其他硬體播放器/解碼器使用單向、2通道I2S匯流排,具有多種數位音訊輸出的資料格式變種。輸出音訊取樣速率取決於原始數位音訊檔案的取樣速率,或是原始數位音訊檔案的輸入取樣速率,以及解碼器重播所時採用解壓運算法的輸出取樣速率。而軟體解碼器所產生的數位資料,會直接輸出至I2S匯流排上。近來消費者要求製造商支援每一種可能的音訊取樣速率,因此數位音樂的數位類比轉換器必須能夠界定並使用其接收的I2S格式。  

數位音訊格式種類繁多且持續增加  

現今的數位音訊具有眾多不同格式,而且目前看來沒有跡象顯示這些格式可能統一或減少。這裡列出部分格式︰MP1、MP2、MP2.5第3層、MP3 (8k~320kbit/s)、MP3 VBR、AAC(8k~320kbit/s)、Audible(2、3和4格式)、WAV AAC(16k~320kbit/s)、AIFF、WMA、WMA-DRM、Ogg-Vorbis、ASF、RA(RealAudio)、保護式AAC (iTunes音樂商店專屬,M4A、M4B、M4P),以及蘋果電腦的無音損格式。  

在各種位元深度(Bit Depth)之中,可找到其中的大多數格式,並且支援固定和可變的位率取樣速率。既然有無損耗格式,當然也會有具損耗的壓縮格式,每種格式都具備自有的位元速率和取樣尺寸。  

音訊取樣速率分為兩類  

目前常見的音訊取樣速率可分成兩大類,第一類包括8.0kHz、16.0kHz、32.0kHz、48.0kHz、96.0kHz、192.0kHz;第二類則包括11.025kHz、22.05kHz、44.1kHz、88.2kHz、176.4kHz。有時,音訊取樣速率是參照「基本速率(Base Rate)」而衍生出來的。例如,44.1kHz的取樣速率通常被稱為基本速率,而11.025kHz、22.05kHz、88.2kHz和 176.4kHz是由除2的乘方,或乘2的乘方衍生而得。對應48kHz的基本頻率,8kHz、16kHz、32kHz、96kHz和192kHz是衍生頻率。  

起初,手機中的音訊數據轉換器主要是與語音通訊(語音音訊頻寬編解碼器)有關,其通常會採用12~14位元解析度,取樣速率為8kHz,支援 300~3.4kHz的電話音訊頻寬。對於語音識別和命令,目前部分語音訊頻寬編解碼器的解析度為16位元,取樣速率為8k~26kHz,並把語音的音訊頻寬擴展至11.7kHz。  

高於48kHz的取樣速率,被認為是專業音訊取樣速率(通常用於動畫製作,以及用於複製的音訊錄製源),DVD音訊格式就是其中一例。它使用線性PCM編碼,最高取樣速率192kHz,24位元解析度確定的理論動態範圍為144dB。此外,手機通常具有通訊處理器和應用處理器。各個處理器都可實行上述音訊功能,多數情況下,兩個處理器都必須能處理所有的音訊功能。但是這種打算整合各種控制、數據介面及音訊格式選擇的狀況,卻會造成手機裡數位音訊的架構高度分立。  

MIPI聯盟推動開放式介面標準  

為了減輕架構上的障礙,提升效率,手機製造商成立了行動產業處理器介面聯盟(Mobile Industry Processor Interface Alliance, MIPI)以規畫下一代手持式設備設計,該聯盟將為手持設備中的各種不同功能(包括音訊在內)制定介面標準。在MIPI網站(www.mipi.org) 上的宣告是︰「MIPI聯盟是一個開放性的會員組織,匯集了行動產業中的60多家重量級企業,我們共同的目標是為行動應用處理器制定和推行開放式介面標準。透過這些標準,建立行動應用處理器的軟體和硬體標準介面,並鼓勵在整個產業價值鏈上使用這些標準,從而加速開發行動用戶所需的服務。」  

從音訊應用的角度來看,MIPI致力於透過延展性及靈活度、高頻寬介面等來提供數位音訊數據和控制傳輸(從數據機/應用引擎到音訊周邊裝置,反之亦然),該介面可以根據未來的市場需求而做出對應的演進。  

這種新介面能夠有效地代替現有手機內數位音訊設備數據和控制訊息所用的I2S、I2C、PCM,以及類似的匯流排介面,也可用來滿足現代通訊和應用處理器的低工作電壓要求。這種新架構還應具有提供全數位設備的能力,允許製造商靈活控制成本、特性支援功能以及性能設計。新的互聯匯流排可以處理基本速率為 44.1kHz和48kHz的數位音訊,同時透過簡單的時脈調整,即可支援所有衍生取樣速率。  

未來手機音訊架構可支援多重連接  

圖1顯示了未來手機中的新型音訊架構,雖然只顯示一個新的匯流排連接實例,但是實際上處理器可以支援多重連接。在這種情況下,系統實作可能與圖中所示有很大區別。  

新規格帶動數位音訊設備發展  

新的規格將引領音訊設備走向全新世代。與類比麥克風相較之下,數位麥克風可以提供更好的訊噪比,以及更好的抗射頻和電磁干擾能力。採用微機電(MEMS) 技術製造而成的數位麥克風或傳統的駐極體電容麥克風,後面跟隨一個類比數位轉換器電路,將在給定的取樣速率輸出下,直接向新匯流排提供音訊取樣。手機的中央處理器軟體可以直接處理數位麥克風資料,以提供多種語音處理功能。其他種類的數位麥克風可輕易地附加於匯流排中,以執行立體聲錄音,或作為麥克風陣列的一部分,實作雜訊抑制或定向成形技術,以增強轉換收聽端的智慧型語音。  

改採數位輸入D類放大器  

為了減少內部熱量並延長電池壽命,符合邏輯的改進是採用數位輸入D類放大器,並直接在揚聲器內進行最後的類比轉換。目前這些功能已直接連到匯流排架構上。與其作揚聲器的類比連接,不如在電路板上將匯流排安裝到揚聲器的安裝區域。數位放大器可以附加到揚聲器上,大幅減少輸出接腳電磁和射頻干擾輻射的機會。從系統角度來看,附加揚聲器只須連接到匯流排上即可。  

具有數位輸入的移動線圈揚聲器  

數位揚聲器是具有數位輸入的移動線圈揚聲器,「無濾波器」的D類放大器將安裝在揚聲器框架附近。這種做法的優點很多,第一、可進一步降低由於放大器和揚聲器之間沒有導線引起的電磁干擾與射頻干擾;第二、沒有濾波器;第三、手機印刷電路板上只有低電壓水平數位訊號;第四、放大器和揚聲器的特性可以進行匹配,從而獲得更好的效率;第五、可以在能放置數位音訊匯流排的地方安裝數位揚聲器。手機製造商可以選擇支援單聲道或立體聲揚聲器,或者根據手機型號的功能需求,輕鬆地製作揚聲器陣列,以改善揚聲器麥克風性能和一鍵通話(PTT)應用。  

由於低功率輸出下的D類放大器的效率沒有低功耗AB類放大器的高,耳機不會很快就轉變為全數位化。更重要的是,這種做法須要改變連接器的架構,來適應額外的導線。最後,如果D類開關訊號在手機外有很長的導線,不管受話器上的功率有多低,訊號都將呈現出一定的電磁干擾與射頻干擾輻射。D類放大器的雜訊基準 (Noise Floor)須要降得非常低,應用在耳道式耳機(In-ear Canal Style Headphone)時才不會產生雜音。  

音樂合成器可加入新匯流排介面  

如果仍須採用硬體音樂合成器,則可以設計成帶有新匯流排介面的形式,至少可以消除8個連接。此種做法不至於導致性能下降,可使用任何來源的電子樂器數位介面(MIDI)命令和數位音訊取樣,來合成最終的輸出樂聲。新的軟體合成器能夠混合不同的音訊文件類型(MIDI、SMAF、WAV和MP3),可以直接向新匯流排介面輸出數位取樣。  

轉換器可予以簡化  

在連接類比麥克風、耳機、類比放大器和類比輸入/輸出源時,轉換器仍舊是不可或缺的。工程師可以製作簡化的轉換器,來實行不同類型和功率要求的受話器,同時可以很輕鬆的加入到手持設備的設計中。現存的類比數位轉換器、數位類比轉換器和編解碼器設計可以與新數位音訊匯流排介面匹配。  

射頻/電視元件透過新匯流排架構控制  

射頻和電視服務中的音訊內容(DAB、DMB、DVB-H等)通常透過數位(I2S)或類比形式(帶有媒體處理器和立體聲數模轉換器的模塊)解碼,並再現到系統中。使用新的匯流排架構,可以控制這些元件,並且其數位輸出可以直接放在匯流排上,送到合適的數位轉換器中,而獨立元件或者包含在類比子系統中的元件,會被橋接到音訊元件上。  

可輕鬆加入其他元件  

在全新匯流排架構下,各種其他元件也可以很輕鬆地加入設計中,例如用於安全應用的數位生物感測器,其輸出資料可以是一系列類似於數位音訊取樣的位元組,也可以是類似與I2S匯流排上的數據的位元組。娛樂照明設備也可以透過一系列與I2S數據傳輸類似的數據位元組進行控制。如果需要,還可以利用聲音來進行同步控制燈光。  

此外,震動機控制單元也可以很輕鬆地進行控制。製造商試圖把震動機與聲音進行同步,這樣就可以隨著聲音的曲調震動,還可同時加上閃光模式。所以連接到數位音訊匯流排架構上是符合邏輯的。  

手機遊戲提供商對於觸控設備也很感興趣,希望將強度迴授訊息提供給遊戲玩家。這些設備通常由音訊聲音觸發,如遊戲中的爆炸、槍聲、響亮的聲音以及其他聲光效果。同樣的,它們也可以連接到數位音訊匯流排架構上。另外,藍芽數據機也能很輕鬆的連接到新匯流排架構上,並得以控制。  

數位介面連接類比音訊設備與子系統  

羅馬不是一天造成的,世界也不會一下子就進入數位設備時代。因此還是須要連接到數據轉換器、放大器和類比音訊設備(如揚聲器和麥克風)的介面,這種想法可透過音訊子系統的橋接來實現。利用新的匯流排架構進行設計,含有混合訊號數據轉換器,以及支援類比放大器、麥克風和其他現有的音訊子系統所具有的類比輸入或輸出的電路。  

這種新音訊子系統「橋接」電路將只需要一個數位介面,而不是三個,可進一步減少元件和接腳的數量,以及電路板面積。另外,每個獨立的轉換器或設備功能都具有將自身連結到新匯流排架構的數位連接。  

隨著音訊功能的複雜程度迅速增加,消費者逐漸覺醒,並要求廠商提供更高品質的音訊,促進了簡化架構支援的強烈需求,以便讓手持設備製造商根據不斷變化的市場需求,將功能綜合起來並加以搭配。  

手機通訊處理器和應用處理器的物理尺寸與工作電壓的不斷下降,使得類比電路從這些元件中抽離出來。而輸入至處理器,或從處理器輸出的音訊資料,將逐漸轉變為數位格式的資料。由於手機原有統一的音訊架構,使得所有目前使用不同數位介面的每個解決方案都存在一定的問題,由此可見,未來的架構將會全部轉為數位化。  

MIPI聯盟致力於提供業界標準介面,可以統一手機中的音訊使用和連接。這樣的介面將適用於實施多重物理數位介面音訊設備之間的連接,同時允許橋接到真實世界中的類比音訊設備。採用這種新技術介面的元件,預計將於2006年底時問世。  

(本文作者為美國國家半導體音效產品部門技術總監)  

(詳細圖表請見新通訊元件雜誌69期11月號)  

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