雜訊門/DRC技術把關　行動裝置揚聲器音質更上層樓

這種需求使手機設計者面臨一個巨大的難題，因為要在手機和平板裝置的小揚聲器中實現優質聲音，挑戰極大。小小的揚聲器功能有限，但使用者對於音訊的期望是無限的，因此，元件及行動裝置製造商廠商都積極製造更高輸出(聲音更大)的揚聲器放大器，增加數位訊號處理器(DSP)聲音處理(亦稱音訊後處理)，消除「劈啪(Pop)」聲及「喀噠(Click)」聲，並採用其他音訊處理方式。

音訊工程是一件藝術作品，因為聲音就是這樣一種主觀及個人化的體驗，音訊工程充滿權衡與判斷。本文將提出音訊工程師採用各種技術為行動裝置帶來更佳聲音的幾個範例。

測量音訊性能的典型方法是訊噪比(SNR)或動態範圍。相對於測量產品效能的其他方法，SNR測量已成為一種「有意無意地用技術參數誤導使用者的宣傳手法」，其中採用各種不同的解釋對產品進行最佳定位，但其客觀度低於100%。

SNR為量測音訊效能典型方式

為提供更高的客觀性，美國音訊工程協會(AES)建立音訊工程測量標準。總諧波失真加雜訊(THD+N)是比總諧波失真(THD)更為常見且有效的指標，因為該指標能更準確地體現使用情況，其可用公式表示：THD+N=(諧波功率+雜訊功率)/總輸出功率。請注意，只有當指定測量失真水平時，測量的輸出功率才具意義。

圖1針對從CD設備到專業音響進行音訊的動態範圍直接比較。手機及平板裝置的音訊性能的驅動力是接近或優於MP3播放器的動態範圍(約100dB)，而這正是現在在手機及平板裝置市場發生的事情。

圖1　音訊產品的動態範圍

由於要進行DSP回音消除及其他複雜的音訊及語音處理，因此行動裝置上須內建多個麥克風。市場上正在使用差動式(Differential)麥克風輸入降低雜訊、射頻(RF)和串音(Crosstalk)的敏感度(Susceptibility)。在行動音訊系統中，麥克風、音訊轉碼器及DSP一起工作實現先進的功能，其中，DSP已逐漸成為智慧型手機上的音訊戰場。

多個麥克風搭配DSP　行動裝置音訊品質更佳

DSP回音消除、三維空間定位及其他音訊功能使用多個麥克風來提供處理器所需要的輸入，一個簡單的例子是需要至少兩個麥克風從背景雜訊中分離語音訊號，一個麥克風用於監聽聲音及背景雜訊；另一個僅用於監聽背景雜音，DSP/編解碼(Codec)系統隨即接收這些訊號，除去雜訊，以提供更清晰的語音訊號。

由於數位軌跡(Trace)更加不容易受到嘈雜的手機處理器及無線電IC(如基頻數據機)產生的雜訊影響，因此使用如駐極體電容式麥克風(ECM)和微機電系統(MEMS)等數位麥克風，代替類比麥克風的方案越來越獲重視，並受到行動裝置原始設備製造商(OEM)的推動。

降低劈啪及喀噠聲

劈啪聲及喀噠聲雜訊是典型的音訊問題，容易在音訊輸入通電或斷電、調為靜音或連接到不同負載時產生，這些過程中會產生瞬態(Transient)，並可能讓消費者透過揚聲器或耳機聽到，進而影響使用體驗。

由於行動裝置操作自然會引致應用關閉以節省電能，因此降低劈啪聲及喀噠聲在行動應用中變得日益重要。當然，這意味著須再次開啟應用，並產生開/關及關/開瞬變，從而引起音訊瞬態。

過去，透過外部電容可降低劈啪聲及喀噠聲，但隨著整合水準的提高，出於成本及效能方面的原因，驅動器須去除電容，並提供創新晶片方法，以減少劈啪聲及喀噠聲。

麥克風插入手機時，其內部與外部間進行切換是產生劈啪聲及喀噠聲的另一個來源，可透過提供插入檢測電路進行管理。緩慢開啟及關閉是抑制劈啪聲及喀噠聲雜訊的另一種方法。緩慢開啟及關閉對沒有隔直流電容器(Blocking Cap)的音訊驅動器很有用，因為能產生直流電(DC)偏置(Offset)。

圖2　具慢開/關定時性的慢轉音訊開關於100毫秒運作狀況。

緩慢開啟，如字面所示，可緩慢改變開關電阻，使負載電壓擺率慢慢上升，從而不會產生劈啪聲及喀噠聲雜訊。做到這一點的方法之一是使用能提供慢轉的整合音訊開關，圖2透過慢轉音訊開關說明這個概念。慢轉音訊開關具有可調節的(慢)開啟及關閉範圍，從1～200毫秒(ms)。圖2為100毫秒的設定。

DRC技術打造更佳音效

圖3　典型VU表

任何人都曾家庭立體聲放大器調音過高，也都親身體會過揚聲器被過度驅動時的狀況，此時消費者耳朵將聽到令人討厭的失真音。另一方面，只有將放大器調至揚聲器的極限時，才能對揚聲器的響度有切身體會，對此須進行更詳細的研究。要達到上述的方法之一是透過動態範圍控制(DRC)放大器的增益，此種方法不僅可優化聲音品質，也可在記錄的訊號位準最大化同時防止失真。這就像以前製作類比錄音的方式，使用者可一邊觀查磁帶錄音機VU表(圖3)，一邊手動調節輸入音量，以在高音時保持指標在紅色區域外，並在靜音時調大音量，從而掩蓋從類比磁帶錄音機中發出的偏置嘶聲。

從字面意思可看出，上述方法是手動動態範圍壓縮。現在，使用者可透過監視訊號位準並提供回饋以增加或減少增益的IC自動完成。結果是壓縮的可聽範圍更廣(即更高的低點和更低的高點)，使聽眾能聽到更佳音效，然而，隨著小型揚聲器的響度增加，損壞風險也隨之提高，因此，揚聲器保護方法變得越來越重要。

圖4　削波訊號(箭頭所指)

揚聲器可能遇到最危險的現象之一是削波訊號(Clipped Signal)。放大器驅動超出揚聲器限制範圍時，會發生削波現象，這會導致訊號比常規音訊訊號更像方波訊號，因為頂端看起來像被削過，因此採用削波這個詞彙(圖4)。

削波對揚聲器會造成危險的原因是隨著訊號開始趨向方形，會產生更多高頻率諧波，從而提供更多的能量，超出揚聲器的容忍範圍，並最終造成永久性的損害。現在的行動音訊放大器增加抗削波機制限制其輸出，以更好地匹配揚聲器。最基本的抗削波方法是設定增益，透過使用自動增益控制(AGC)技術，使其不超出預先設定的位準。

音訊晶片商正在研發其他保護揚聲器的更複雜方法，這些方法能主動監控揚聲器正在發生的狀況並將資訊回饋至放大器，從而保持安全操作。一些主動式揚聲器保護方法可在放大器中內嵌小型訊號處理器進行訊號分析，所有類型的揚聲器保護，無論是主動式或被動式，都使行動裝置製造商更容易提供更響亮、更持久的音訊，因此，保護揚聲器將繼續成為音訊技術領域中的一個關鍵因素。

透過雜訊門解決語音品質問題

圖5　雜訊門將低訊號調為靜音，以消除雜訊感知。

某些行動音訊放大器已提供雜訊門(Noise Gate)功能。雜訊門在訊號低於指定水平時將輸出調為靜音(圖5)，就像老式的雜訊控制器，可消除系統中的無線電、數位類比轉換器(DAC)及其他雜訊。雜訊門功能通常對調整語音品質比音樂更為有用，攻擊及衰減參數有時被用來控制及設定雜訊門，這取決於它如何設計。

等化器至關重要

等化器(Equalization)是一組音量控制器，應用於整個音訊範圍中一個較窄的頻率範圍，行動裝置採用典型的五波段等化器。等化器使系統設計者能自訂輸出訊號，從而在一個特定的環境中優化揚聲器的性能。

早在發燒級立體聲(Audiophile Stereo)時期，等化器就已為一般消費者所知，當時就有人指出，一旦根據音響所在空間的特定聲學設定等化器後，就可以「設定然後忘記」。這是一個類似的情況，但相對於音響所在空間，行動裝置設計者關心的是手機或平板電腦的外殼，本文的想法是使揚聲器及手機或平板裝置與外殼相匹配，從而實現最佳聲學性能。

在揚聲器受限於非最佳位置的情況下(由於工業設計考慮因素，經常發生)，等化器特別重要。位於晶片組內部轉碼器上或外部音訊轉碼器上的等化器根據特定的外殼(主機殼)設定參數，從而提高產品的整體音效，此外，等化器可視為能優化手機音效的DSP功能中的一個。

展頻調變減低D類放大器EMI

D類放大器是行動裝置中一個引人注目的技術，因為其效率遠高於AB類，但D類放大器的缺點在於易受電磁干擾(EMI)，且其音效不如AB類，目前市場似乎已決定D類揚聲器放大器是可接受的。對於耳機而言，AB、G和H類仍然是流行的選擇，雖然D類放大器有時也被設計工程師採用。

D類放大器因其固有的脈衝寬度調變(PWM)開關架構，會產生不必要的電磁干擾，因此須採用不同的方法抑制電磁干擾。脈衝寬度調變系統中通常採用的一種抑制方法是展頻調變(Spread Spectrum Modulation)，其中，輸出電橋的開關頻率圍繞一個中心開關頻率而有所變化，隨著頻率變化的隨機選擇，電磁能量(EM)得以更廣泛傳播，且峰值輻射能量將減少。

降低電磁干擾的另一種方法是邊緣速率控制(ERC)。在D類產品中，高頻能量位於脈衝寬度調變方波輸出的邊緣，所以更快的輸出上升或下降會產生更多高頻能量，透過使邊緣變化減緩，產生的高頻能量將減少。

值得注意的是，方波越完美(即越方)，奇次諧波(Odd Harmonics)越多，因此減少方波的完美度能去除造成輻射的高頻諧波元件，然而，這樣做的代價是系統將消耗更多功率。此外，改變方波訊號的形狀實際上相當於扭曲方波，因此會增加THD+N。

圖6　D類升壓揚聲器放大器架構

行動音訊的一個重要趨勢是朝更響亮的聲音發展，這可透過更高輸出揚聲器放大器實現。更高輸出可透過在揚聲器放大器IC中加入直流對直流(DC-DC)升壓轉換器實現(圖6)。

放大器輸出功率決定聲音亮度

添加DC-DC升壓轉換器對於音訊IC區塊有顯著影響，由於其電壓等級，升壓電路並不非常適合類比行動基頻IC或音訊轉碼器，因此，對更響亮操作的需求已經開始向分離轉碼器及類比基頻設備的音訊放大器趨勢發展。

由於行動裝置製造商需要揚聲器放大器輸出盡可能大，因此輸出功率目前為1.7～2.5(W)瓦，並趨於更高。當然，更高的輸出驅動器意味著更大的功耗，因此音訊工程師正在尋找新的途徑及重複使用現有技術降低功耗。現在被應用到D類放大器的一個創新方法是借用G類放大器的概念，即利用多個電源軌。

行動音訊技術進步的新領域可能是平面振膜(Flat Membrane)揚聲器，甚至是使用手機或平板裝置的表面做為揚聲器本身，現在還有傳言提到未來將由雲端串流高音質音樂。2011年，行動裝置串流音樂使用者約為六百萬人，到2016年將超過一億六千萬人，年複合成長率為95%。隨著音訊串流播放如此快速的增長，手機及平板裝置的硬體產品將須配備音訊IC，為使用者隨時隨地提供行動音訊體驗。

(本文作者為快捷高級業務發展經理)