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隨著數字錄音和傳輸的出現，將數字信號源與數字處理直接結合起來提供端到端數字音頻系統的想法看起來即將實現。端到端數字音頻確保數字音頻源—無論是CD、 DVD或 HDTV—“原汁原味”地還原其錄制或發送時的高分辨率。此外，它使得音頻和視頻可以成為很多消費產品的一種功能，而不僅僅是一種單功能的產品。最顯著的實例是蜂窩電話上的音頻播放器、在電視機頂盒中的錄像硬盤，以及甚至是電腦上的音頻/視頻播放功能。隨著音頻/視頻系統集成的增加和成本的降低，這僅僅是數字化生活爆發的開始。 消費者已經熱烈的擁抱了數字化生活方式。在不久之前，TiVo和MP3播放器以及高清電視在技術上非常新穎。現在，數字視頻錄像機(DVR)和iPod以及平板電視是一類很酷的產品，正在形成今天的流行文化。消費者開始重視數字化生活帶來的方便性和酷的感覺，即使是按照傳統的產品質量尺度來看存在一些折衷，如音頻的保真度。當然消費者依然重視保真度，他們依然偏好于聲音效果更好的產品，但音頻保真度較低并不會妨礙他們接受這種數字生活方式。技術必須彌合這種差距。 系統架構的數字化 消費產品的系統架構越來越多地得到數字化，受到數字連接功能的爆炸性需求推動。在數字信號處理以及像MPEG解碼和視頻縮放這樣的復雜功能算法的處理器技術進步下，新產品類別，如數字高清電視(圖1)的實現變成現實。像過去使用模擬技術來實現的濾波、解調制功能現在都以數字方式實現，成本和功耗更低，性能更高。如圖2所示，在系統架構中數字所涉及的區域不斷地擴展，將越來越接近現實世界的邊界，并涵蓋越來越多的系統功能。 數字系統級芯片( SoC)集成已經成為系統架構數字化的主要關鍵技術，并推動性價比的急劇增加。按照摩爾定律，工藝尺寸從0.25微米下降到0.18微米，再到0.13微米，現在已經低于100納米。存儲器和混合信號電路的工藝創新以及 DSP/ RISC處理器架構的發展，都使得可以在更低的成本和更小的硅片上集成更多的功能。像 Broadcom和 Marve這些新公司的建立都是利用這種強大的產業趨勢，使得非常復雜的系統架構現在可以在單個SoC上實現。 圖1：目前的數字平板電視系統架構 圖2：未來的數字平板電視系統結構 系統接口芯片Tornado 盡管數字SoC集成對消費電子產品帶來了巨大影響，但是事實依然是我們基本上還生活在一個模擬的世界，這些大規模的數字SoC必須與這個模擬世界進行對接。這種系統接口包括三個主要的功能，這些功能利用了混合信號和功率模擬技術：系統支撐、通信接口和消費者界面。 系統支撐功能主要是外部電源與越來越復雜的系統電源管理之間的接口。通信接口將數字 SoC與數據通信網絡相連接，如以太網、 Wi-Fi、 藍牙、 USB和蜂窩網絡。消費者界面實現用戶與數字世界之間的銜接，包括像顯示驅動器、麥克風輸入、音頻/視頻線入/出，以及到喇叭的音頻放大器輸出。 盡管SoC性價比學習曲線(圖3)在過去十年中非常地陡，但系統接口功能僅獲得有限的改善。直到最近，這依然保持常態，因為數字SoC功能代表了主要的系統成本以及改善機會。然而，這種情況已經發生了改變。系統接口功能的成本占了IC成本的很大比例，產生了投資的黃金機會，加快了性價比學習曲線。 圖3：SoC SIC價格-性能學習曲線和系統集成架構。 今天，三個產業因素匯合在一起圍繞著系統接口功能上產生了一個“完美風暴”，這類似于過去SoC所曾經歷的那樣。首先，市場受到消費者對數字生活方式的需求推動，在產生、存儲、發送和處理數字內容上的技術進步也促進了市場的發展。其次，如高壓(HV) CMOS這樣的關鍵半導體工藝技術已經步入實用，這也推動了低成本地集成系統接口功能(需要電源模擬電路)所必須要求的規模經濟。第三，出現了可以用于功率模擬功能的創新架構技術，例如電源管理和音頻放大。隨著 SoC集成趨勢，這三股力量相互加強，形成了系統接口芯片( SIC)集成的強大支持力量。 音頻是消費電子產品的關鍵 便攜性和可用性是推出當前消費者期望的產品的成功關鍵因素(以iPod為見證)，實現這些產品特性的關鍵技術是針對便攜性的電源管理SIC和針對可用性的音頻SIC。音頻是當前消費電子產品中普遍存在的關鍵部分。事實上，很難以想象在哪個產品中—從平板電視到蜂窩電話、膝上型電腦、個人媒體播放器到錄像機甚至到數字像機—不具有或者將來也不會具有這樣或那樣的音頻功能。因而，音頻是SIC集成的一個自然的關鍵推動因素。 不僅僅是單純出現音頻、音頻質量—或者更準確地說—音頻的保真度，對于最終產品被消費者所感知的質量來說是非常重要的。人對聲音體驗的處理既是有意識的，也是潛意識地形成一種感覺并做出評判。音頻總是處于前面和中間，需要能夠聽出是按鈕按下的聲音、旋鈕旋轉的聲音，或者是音軌的清晰、溫暖和細節體驗。 即使是在評估高清晰平板電視的圖像質量時，如果配之以較高保真度的音響效果，消費者都會對圖像做出更高的評價。系統設計工程師需要特別注意他們在消費電子產品中設計的音頻的保真度，選擇在不損害音頻保真度的情況下能滿足系統對功耗、接口兼容性、外形尺寸、一致性以及成本要求的技術。 數字放大器——音頻SIC的關鍵 設計真正高保真音頻器件是非常棘手的事。很多可以明了和難以明了的因素共同影響體驗到的音頻保真度。對于好的音頻質量，盡管像總諧波失真( THD)和信噪比(SNR)這些可測試的衡量標準是必要的，但是它們通常并不能得出整個情況。以高清電視采用音頻放大器為例，兩個放大器都具有0.1"0.2%的THD以及105dB的SNR相近的性能，但是仍然可以得到非常不一樣的聲音體驗，這種體驗取決于失真的特性和噪聲，并取決于放大器能多大程度上真實地再現非常小的音頻信號。例如，一個能再現滿幅度信號下100dB的信號放大器與一個只有85dBFS的放大器相比，聲音體驗非常柔和、清晰、清脆。因此，盡管測試規格很重要，音頻放大器設計的藝術取決于多個設計因素的平衡以及“金耳朵”專家非常細致的主觀判斷。 音頻保真度最終要依靠喇叭和功率放大器來實現，這些是音頻信號鏈路的最后功能，在這里電子信號被轉換成可以聽見的聲音信號。不同領域之間的轉換總是很棘手，在這里也不利外。在當前使用數字SoC的系統架構中，需要采用放大器來將數字音頻的比特轉換成功率模擬信號，這個信號可以驅動低阻抗喇叭音圈，從而產生我們耳朵能聽到的聲波。事實上，要低成本地實現這種功能—符合總體系統要求且不需要犧牲聲音的保真度—是很困難的，但也是必要的。 盡管最初采用傳統的A/B類模擬放大器與音頻數模轉換器(DAC)組合就是為實現這個任務，但是這種解決方案不能滿足當前數字系統架構要求的功效和集成能力。D類放大器最初是受到平板電視的熱敏感因素推動，現在因為其優越的功效而得到很多數字音頻系統的采納，其效率達90%，而A/B類放大器只有50%。當前以音頻為主的消費電子產品的關鍵挑戰在于：采用D類功率級以及數字信號接口以開發出高保真的放大器技術。 很明顯，數字音頻放大器技術是音頻系統SIC集成的關鍵。音頻在當前的消費電子產品中廣泛存在，對于感受產品質量來說是最重要的。數字化的生活方式推動了對具備獨特數字音頻放大器屬性的新產品要求，系統架構的數字化推動數字接口更接近于現實生活的邊界。半導體經濟正在推動SIC集成以包含所有的功能；在這種追求中，集成數字音頻放大器是最為關鍵的挑戰�？梢哉f，在消費產品中，數字放大器技術相對于模擬SIC的集成是絕對必要的，正如視頻和圖像處理技術相對于數字SoC的是絕對必要一樣。 HDTV的數字放大器考慮 在考慮數字消費電子設計，如高清晰平板電視時，發展出了三種都使用脈寬調制(PWM)D類輸出級的數字放大器架構：1. 模擬 PWM加DAC；2. 增量累加PWM；3. 分段(Sub-ranging)PWM。圖4展示了在高清晰平板電視中使用的幾種數字放大器架構的幾種關鍵產品屬性比較。 圖4：各類數字放大器性能比較一覽表 傳統模擬PWM D類放大器需要模擬輸入，依賴于一個DAC實現與來自SoC的數字信號進行接口。如果DAC集成在SoC中，在把這些敏感的模擬信號在電路板上進行布線時，要特別注意規避干擾敏感性以及防止信號變壞。盡管因為模擬PWM放大器的低成本使得其成為平板電視的普遍選擇，音頻保真度性能居于中等，因為在具有單級開關電壓的開關大功率MOSFET中存在局限性，并被限制為大約13比特(80dB)。 最近，引入了數字放大器設計，使用分段PWM或增量累加PWM來驅動D類放大器輸出級。數字輸入接口通常使用一個來自處理器SoC的標準3線I2S數字總線，電路板設計顧慮得到緩解，對干擾的免疫能力得到提高。設計工程師通過消除互連長度以及布局接近數字SoC的要求，而獲得更大的靈活性和自由度。 盡管通常比模擬PWM放大器更貴，增量累加PWM放大器通過使用集成反饋環路和噪聲整形信號處理來抑制帶內量化誤差以及對輸出信號進行線性化；這樣確實能提供更優的音頻保真度，大約為15比特(90dB)。然而，常見的批評是聲音體驗有點刺耳并且音色不正。 另外一個設計考慮涉及抑制從放大器輸出引入的電磁干擾(EMI)。數字放大器的輸出信號是采樣數據，按照離散的時間間隔改變電平，這個間隔時間由脈沖重復頻率(PRF)定義，它產生的諧波是主要的EMI源。增量累加調制器采用更高的PRF來獲得改善的音頻性能，因此需要特別注意EMI的抑制。 分段PWM數字放大器通過避免因為半導體技術導致的非線性，可以獲得超過17比特(＞102dB)的精度以及保真度。通過使用雙電平數字-脈寬轉換方案，這種放大器能如實地再現甚至最小的音頻信號，提供一個柔和的、清晰的聲音體驗。與增量累加調制不同的是，分段調制帶來的性能改善并不直接與PRF相關，而是與有效地從保真度目標消除EMI耦合有關。更重要的是，分段PWM放大器成本低，可修正以跟其它音頻系統接口功能集成。 本文小結 數字生活方式的爆發性發展現在推動了音頻/視頻系統的集成，架構的數字化推動消費電子產品系統成本的降低。盡管在過去10年來非常陡峭的價格-性能學習曲線歸因于數字系統級芯片集成，現在系統接口功能展示了投資的黃金機會，并加快性價比學習曲線。因為音頻作為一個核心的部分廣泛存在于消費電子產品中，因此，很自然地，對于在終端產品品質上非常重要的音頻保真度而言，系統接口芯片與放大器的集成非常關鍵。當前的系統設計工程師在音頻數字功率放大器上采用新的選擇來彌合技術差距，實現不降低音頻保真度的數字生活方式。 |
