手机音频的设计

UT斯达康内部资料PHS手机音频设计[e-mail]斯达康内部资料Agenda:1.PHS手机音频概述2.PHS手机各平台音频部分比较3.PHS手机中的噪音设计一).噪声理论和分类二).噪声的电路抑制4.FeaturePhone中的音频应用5.音频器件的选择UT斯达康内部资料PHS手机音频概述UT斯达康内部资料PHS手机音频概述PHS手机音频电路：1.语音通话电路：•发送•接受2.多媒体音频电路：•Midi和弦•MP3Playback•FMRadio收发•AudioCODECUT斯达康内部资料PHS手机音频概述与PHS手机音频电路相关联的设计：1.软件：•音频逻辑控制•音频调节控制•音频编解码2.ME：•音频器件布局•音腔设计UT斯达康内部资料PHS各平台音频电路部分比较在目前公司PHS手机设计中使用的三个平台，对音频设计提供了不同的支持与配置。在项目中根据实际需求做相应调整1.ToshibaTC35607：作为较早开始使用的平台，音频通道由BBIC和PMIC共同成。其中BBIC的语音发送，接受，软和弦铃声部分均不包含功放，都需要配合PMIC中集成的三个音频功放来提供驱动能力。对音频电路的供电也由PMIC中集成的LDO来完成。设计特征：•集成度不高，需要较多分离器件。•没有提供用于耳机通话的音频通道，设计中需要另外搭建。•由于芯片本身设计问题，语音电路较容易受到电源和射频的干扰。设计中需对BurstNoise做谨慎对策。•PMIC中集成的电源性能不佳。LDO虽然标称有60dB的纹波抑制比，并不能提供很好的噪声抑制性能。对于有较高噪声要求的外部电路应尽量选用外部LDO。UT斯达康内部资料PHS各平台音频电路部分比较2.AtherosPhoenixIC：单芯片方案，设计时就力求将能实现的电路模块都集成在PhoenixIC的内部。芯片内部的音频路径如下：UT斯达康内部资料PHS各平台音频电路部分比较设计特征：•集成度很高，外部分离器件较少。•同样没有提供用于耳机通话的音频通道，设计中需要另外搭建。•由于芯片本身原因，在Receiver通路输出中包含较高的高频噪声。需在外部设计音频低通滤波电路来改善听觉效果。•芯片本身对音频部分电源处理效果比较理想，设计时能减少部分麻烦。•内核处理能力相对较强，可软件实现MP3Decoder功能。做低端MP3播放手机时有成本优势。UT斯达康内部资料PHS各平台音频电路部分比较3.MavellUT8860：双核处理器，同样将电源管理和音频等功能尽可能的集成在内：UT斯达康内部资料PHS各平台音频电路部分比较设计特征：•集成度较高，外部分离器件相对较少。•BBIC提供了用于耳机通话的音频通道，可方便带耳机功能手机的设计。需要提出的是芯片原本设计的耳机检测方案并不能稳定工作。原意是通过检测耳机麦克风偏置电流变化的方法来判断耳机的存在，由于该电流变化无法达到预期而不能稳定检测。设计时需要搭建相应检测电路。•芯片Receiver输出信号驱动能力有限，较多项目中需要增加外置的音频功放做推动。UT斯达康内部资料PHS手机中的噪声设计（－）手机音频电路的设计目标在于真实的还原音源的实际效果，在实际电路中一些意想不到的噪声会产生并传入音频回路。以下希望对目前为止PHS手机设计中遇到较多的噪声做一归纳：1.BurstNoise：作为TDMA系统的一个共有噪声问题，在手机通话语音设计中受到普遍关注。PHS手机在通话等工作状态中，RFPA产生200Hz的突发信号。大功率的信号在空中辐射到音频回路中，被检波后以200Hz倍频的形式存在于音频回放中，对听觉产生影响。另外由于系统以200Hz的频率突发的工作，电流负载的变化使得电源产生同样频率的巨大纹波。同样使音频电路中混入这种有规律的噪声信号。UT斯达康内部资料PHS手机中的噪声设计（－）2.FloorNoise：电子系统中都存在的底部噪音问题，直接体现在手机音频当中是用户所能听到的背景声音。由于GSM等手机中较普遍的静噪功能没有应用到PHS系统中，设计中经常碰到无规律的底部噪音问题。音频电路的通道中各种器件对电源和地噪声的抑制有不同的表现，最终的音频回放是一个叠加的结果。3.ShotNoise：通话的实际测试结果当中，经常会遇到一些突发性的噪声。持续时间较短，能量集中。在已有项目经验中的8KNoise；接通时的“咔咔”音；耳机接通瞬间的“POP/CLICK”噪音都可归为这一类噪音。UT斯达康内部资料PHS手机中的噪声设计（二）事实上，前节的噪声分类的目的在于将有关联性和内在共同点的问题集中。在我们设计中这些问题也是有类似的解决方案，这一节当中希望能将解决的经验做成条目型的总结。：1.BurstNoise：前节提到，BurstNoise的引入途径主要有两方面：空中和线路间的辐射窜扰；电源纹波的引入。因此在设计当中通常需要针对这两方面调试和对策。•使用差分走线和差分功放器件，在音频路径上预留匹配元件，破坏对空中辐射信号的检波。•保证电源的洁净，贴近音频的电源和偏置等信号上使用大容值低ESR的电容做去藕。•注意布线中音频链路的独立，尽量用地线与其他信号隔离。特别注意远离电源线和时钟线和大电流的信号线-+InputSignal-InputSignal+RINRINRFRFUT斯达康内部资料PHS手机中的噪声设计（二）2.FloorNoise：以往对于地噪声的抑制主要仍然从两方面入手：•电源和地的处理：电源的去藕仍然是必要和有效的方法，另外在印刷电路板布局中分开模拟地层和数字地层并保证模拟音频信号走线远离数字或功率开关走线，保证音频地的稳定也被证明是有效的手段。•滤波：在地噪声中有部分情况是分布在较高的频段。例如Atheros平台中Receiver的底噪较多分布在4KHz以上的部分，针对这种情况可以在不牺牲通话语音质量的情况下对3.4KHz以上信号做过滤。以下是我们在实际设计中利用常用的运放器件，搭建出的一阶和二阶的滤波电路：UT斯达康内部资料PHS手机中的噪声设计（二）UT斯达康内部资料PHS手机中的噪声设计（二）3.ShotNoise：由于短噪声发生的原因各不相同，因此有不同的解决方案：•软件修改：许多短噪声的产生和通话中切换和部分模块的开关有关，因此软件的方法规避是最为有效的手段。在此不作为讨论内容。•使用开关电路：部分短噪声发生在通话或者声音播放的建立阶段，这种突发噪声通常可通过在输出端加入模拟开关电路来规避。在发生短噪声的阶段将模拟开关切换至其他部分，达到规避作用。•使用特殊功放器件：对于普通耳机功放存在的“Pop/Click”声，可以通过更换新型的器件来抑制。新型的耳机功放增加抑制“Pop/Click”声功能，内置了ChargePump产生副电源因此可避免使用大容量耦合电容。UT斯达康内部资料FeaturePhone中的音频应用（一）在当前产品强调功能性的前提下，有越来越多的音频应用成为PHS的特征。例如公司推出的UT190，X60，UT668等产品以FMRadio或MP3播放功能作为产品特征，这些音频应用的设计也逐渐重要：1.FMRadioReceiver：目前手机中普遍应用的FMRadio功能是基于单芯片集成方案，这种电子调谐的FMRadio芯片集成了IF选择和解调应用电路。在我们选用的Rohm公司芯片内部包含以下模块：FMfrontend,IFamplifier,FMdetector,FMstereodemodulator,andPLLfrequencysynthesizer.总结UT190的设计调试经验，有如下信息可做分享：•因为这种单芯片方案中，音频信号只能以模拟形式输出且不能做幅度调节。设计但中必须在后端接入可做幅度调节的音频功放或将其编码数字化后再处理。•在FMRadio电台的反射端，为了提高传输信噪比，做了预加重（Pre－Emphasis）。如果在接收端不作处理声音效果将有高音区偏重的现象。实际当中可通过在声音输出端并接电容的方式做处理•由于这种方案中，普遍使用耳机中的地线作为天线。因此耳机地线于手机地层的高频隔离非常重要。•由于前端的敏感性，该芯片对电源要求极高，在电源设计中发现须使用RR值高于70dB的LDO作为模拟的电源供电。芯片的地层必须于系统的地做隔离，建议使用特性较好的铁氧体磁珠（FerriteBead）做隔离。UT斯达康内部资料FeaturePhone中的音频应用（一）RohmFMRadioReceiverICDiagramUT斯达康内部资料FeaturePhone中的音频应用（二）2.MP3Player：在当前的手机设计当中，较普遍的设计方法有两种：•由BBIC完成解码功能，利用内置或外置的DAC转换为模拟的MP3声音信号。优点是成本较低，节省PCB空间；缺点是耗费CPU资源，难以实现后台播放功能，功耗较大导致播放时间不长。•使用专用的音频或者多媒体处理器，BBIC可以较少的参与。优点是节省CPU资源，软件代码量较小，由于硬件解码功耗较低，播放时间较长；缺点是成本较高，需增加较多器件使PCB面积加大。因为使用BBIC做解码的方案较简单且较多用于低端的MP3铃声手机中，在这里着重解释目前多个正在研发当中的项目里使用的音频协处理器方案。在这种手机方案中，音频协处理器作为音频信号的核心器件，不只是MP3的解码器，还能播放Midi和一些波表文件。目前我们多个MP3功能的手机中使用的Vimicro的VC0968就是一颗音频功能非常完善的音频处理器,我们设计中主要涉及的是其定义的核心应用-MP3&MidiPlayer。UT斯达康内部资料FeaturePhone中的音频应用（二）在此设计方案中，同样有一些值得推广借鉴的经验：•给处理器电源的供电性能也直接关系到音频信号的质量，除PRCORE_DVDD以外的电源纹波应当尽量控制在300mV（电源电压的10%）以下；对于1.8V的CORE电源PRCORE_DVDD，一般要求纹波在5%以下。•芯片所集成的立体声耳机功放有较严重的“Pop/Click”噪音问题，需做相应抑制处理。（对策请参考前文说明)•芯片集成的铃声功放虽然标称为550mW，实际驱动能力较低。很难达到公司的测试标准，需增加外部功放作为补充。•芯片提供的ADC输入功能已经过验证，提供了一个比较零活的设计备份。可作为通话语音，FMRadio等信号采集。除PRCORE_DVDD以外的电源纹波应当尽量控制在300mV（电源电压的10%）以下；对于1.8V的CORE电源PRCORE_DVDD，一般要求纹波在5%以下。UT斯达康内部资料音频器件的选择在每次设计的开始阶段，器件的选择无疑是最基础和重要的工作之一。在此也希望和大家分享我们在设计阶段对各种器件选择的原则。针对常用的音频器件下面给出了一些对应的敏感参数：1.电容•额定电压：在选择电容的额定电压时我们一般根据工作电压预留30％以上的余量。实际根据目前市场普遍的产品性能，我们大量使用的MLCC电容可减少这个余量。对于耦合电容的电压选择可以使用4V额定的电容，在使用较大容值保证低频音质的同时使用减小电容尺寸。•ESR：等效串联阻抗。这似乎是电容除容值外最重要的性能参数，较低ESR值电容能更好的实现滤波。改善电源的性能时经常要用到大容值低ESR的电。另外对于供电器件LDO来说，输出电容的ESR值在一定范围内也是保证其稳定输出的必要条件。2.功放：对于音频功放来说，由于输入输出信号频率较低的原因，一些带宽和瞬态响应的参数似乎并不敏感。更多的似乎还是关注与输出信号质量直接相关的参数：•额定功率：这无疑是和不失真的输出大信号直接相关的参数，但在器件标称的参数中请以相同负载的阻抗为前提做比较•MaximumOutputVoltageSwing：最大输出摆幅，同样直接相关驱动喇叭能力的大小。较理想的功放是Rail-to-Rail输出类型的。除PRCORE_DVDD以外的电源纹波应当尽量控制在300mV（电源电压的10%）以下；对于1.8V的CORE电源PRCORE_