行動多媒體娛樂裝置音效IC選用與整合趨勢

MID這類行動裝置整合通訊功能，對音訊處理要求特別高。

當人們對MID、Tablet PC或智慧型手機的應用功能，慢慢從單純運算轉移到多媒體娛樂用途時，對系統工程師來說，建構運算環境除要考量效能、功耗與整合特性外，對於音效系統的重現能力，也必須慎重納入設計要求，以期達到表現更好的音效重現體驗。

消費者對於行動裝置的應用，已經從單傳的處理資料進階到娛樂、工作、溝通多元應用方式，其中「音效」表現或許在工作用途干擾較小，但實際上在目前日趨成為主流的娛樂與溝通應用，音效的表現即會影響消費者是否購買裝置的關鍵因素。

以目前熱門的行動裝置來說，以行動電話的應用與音效關係最大，當行動電話應用的環境，可能面對音效的態度會有截然不同的要求，例如，語音使用狀態下必須取得清晰的抗噪收音與清晰的音效呈現，而作為鈴聲、MP3音樂重現用途，音訊的重播要求又以真實呈現與提供更表現更好的空間感為前提。

發展音訊設計 音質素材內容需界定明確

多數多媒體裝置，在開發之初，必須將音訊的處理原則做一個明確的界定，例如，數位音訊可以劃分為通訊、溝通與Hi-Fi高傳真兩大區塊，所謂通訊與溝通應用，意指以8位元、8kHz數位化音源為主，因為設備處理語音不需接收過多訊息，內容必須朝更清晰呈現為主，加上傳送方式的限制(無線傳送)，訊息必須經過有效壓縮與快速解壓縮重現，才不會出現不同步的延遲問題，因此內容的取樣與壓縮會控制在較低的水準同時又不會影響內容的清晰度。

而Hi-Fi高傳真內容的定義，多半是以CD音樂光碟為基礎，如44.1kHz取樣、16位元為主，因為CD音樂的重現品質已經是消費者能認同的高音質表現基礎，因此可攜式多媒體裝置依此要求還算可以達到一般對高傳真音效的水準表現。

以溝通應用為主的音訊設計，關鍵在於低取樣率、較低音質以達到高壓縮比、資料量壓縮的要求，而針對高傳真多媒體娛樂應用，則是採與CD音樂相同等級的高取樣率、高音質配置。

Hi-Fi高音質的處理可利用多位元的音效處理IC進行設計，同時改善音質表現，而針對兩種截然不同的應用模式，所使用的連結技術也會不一樣，例如，Hi-Fi高傳真音效數據格式會採Inter-IC Sound(I2S)處理，溝通用的設計方案使用的解碼IC，通常會採行採PCM(脈衝調變)為主的設計方案，但實際的狀況是，PCM的應用在今日的IC技術，已可應付如Hi-Fi或是高壓縮比的溝通音訊處理。

早期音訊應用多採整合設計

而在電腦應用領域，其實對於音訊的處理要求，也出現與行動裝置類似的現象，電腦近年大量以AC’97標準搭配解碼晶片處理各式音訊應用，雖然透過軟體來轉換音訊理論上可行，但成本可能會太過高昂，以AC’97來說就是將音訊處理轉由硬體解碼晶片處理，由於採行專用的硬體處理音訊，因此整體的轉換效率可大幅提升，目前AC’97儼然已經成為電腦產品的業界標準。

但從早期的多媒體播放設備的設計方案，例如，MP3隨身聽、MD/CD隨身聽，多半仍採I2S DAC轉換器進行線路設計，這種狀況若是出現在支援音效重播功能的MID、PDA、行動電話上，多半也會採行複合式的系統配置。

例如同時具備PCM方式的脈衝編碼、調半晶片與AC’97/I2S Hi-Fi高傳真音源處理晶片，但系統設計者或許有注意到兩種音訊子系統間的可能問題，例如雜訊干擾、諧波失真等，影響了不同音訊應用可能出現的音質問題，甚至也因為採離散式的主/被動元件配置，讓有限的PCB主版空間被各式數位、類比元件所佔據，而元件增多也容易因生產問題造成產品良率與回修成本提高。

透過整合技術 提升各方面音訊水準

而在半導體技術方面，對於元件整合的趨勢也在持續進行中，電子裝置所需的音訊處理應用，也有相關的整合解決方案作法，例如，採SoC的概念，可將音效處理相關的D/A轉換器、功放迴路或其他大型的IC元件進行整合，但透過此方法整合的成品在實踐Hi-Fi高音質表現仍有段理想差距。

例如，把電源管理或是其他數位應用IC，進一步整合音效功能時，就會面臨處理雜訊的問題，整合數位IC和音訊線路，對於同一晶片共處兩種以上的電子電路，可能在設計上就會有所折衷，例如受限於數位IC功能，讓音訊無法獲得最佳發揮，或是為了提升品質，讓封裝後的體積變得過大，亦失去整合的目的。

此外，對於音訊的後端放大設計線路，例如喇叭的功放迴路，就特別難以整合進同一個IC，因為功放迴路會產生大量的熱源，整合後的IC必須針對散熱進行相關處理措施，折衷的作法可能是數位IC與主要的D/A、解碼功能單元進行整合，再將推動喇叭的功放迴路採獨立元件處理線路實踐，成為類SoC的音訊整合解決方案。

還有音訊設計最常看到的問題，就是在類比輸出/輸入的設計有限，因為就IC的整合設計概念，多半要求IC外型越小越好，例如採方形的扁平無導線QFN晶片封裝方式設計，若要增加接腳，也會讓整合案例無法有效微縮產品體積，佔板面積將會大幅提升，失去整合的效益。

利用專屬音訊IC提升音效表現

對於各種與數位IC或功能IC的整合設計方式，音訊等效電路還是採取專屬音效IC取代設計，會比整合型的設計解決方案具備更好的音效表現空間！而以行動電話的應用案例來看，需整合的項目則顯得更加多元與困難，例如有音訊為主的類比輸入、類比輸出、Hi-Fi高傳真音源處理、藍牙無線傳輸的無線編碼/解碼IC並搭配PCM介面進行設計。

至於整合音效的設計方案也很多，例如，透過分享式的設計，讓元件本身可以共用DA/AD轉換器的設計，進一步降低製作成本，但節省成本也會帶來新的設備使用限制與困擾，當不同應用有自己的DA/AD轉換器時，就不用擔心必須進行播放/錄音或是其他應用到音訊的多媒體操作與多工應用，因為共用DA/AD轉換器的設計會讓目前使用中的音訊服務佔用有限的DA/AD轉換器硬體資源，造成其他應用的排他性，導入節省成本的設計方案時必須加以考量。

多數設計案會採取折衷的作法，可避免為了音訊多工而徒增矽晶片的製作成本，例如，採用獨立的DA轉換器，搭配共用A/D轉換器的設計，這樣一來，在行動電話的設計案中，就可以達到於進行語音通訊的過程中，同時對談與聽到話中插撥的提示鈴聲，即便進行語音通話中無法同步錄音或操作其他音訊功能，在產品的實踐設計方面功能的限制是可以被接受的。

麥克風的設計

在智慧型手機中，其實最複雜與難以處理的問題，多半與麥克風配置與設計有關，多數的設計必須設置兩個麥克風，一個作為收音用途，一組內部麥克風必須提供訊抑制處理的參考資訊，或是執行立體聲錄音功能。以行動裝置常見的汽車免持設計來說，麥克風的設置可能必須同時具備收音與錄製語音備忘錄用途，系統複雜度比一般音訊處理更為繁複、困難。

系統的雜訊也是設置麥克風最必須被改善的問題，例如，裝置本身同時具備高頻數位IC與邏輯電路，從電路或環境產生的噪訊，干擾的產生可能是來自PCB的布局或是PCB線路帶有麥克風線路造成。

雜訊會透過麥克風的功放迴路進行放大，為了避免這類問題不斷發生，減少花在改善音質的開發成本，除了PCB板布線進行謹慎的設計外，利用兩組麥克風線路搭配差動放大迴路消除噪訊，也是一個常見的設計方法。

另一種解決方案是利用MEMS麥克風元件，把原有類比的拾音處理、傳送處理，在元件端即做到數位化的方式，麥克風元件拾音後隨即進行轉換，將訊號轉變成數位訊號傳輸，對於PCB布線的設計較不會出現惱人的干擾雜訊影響。

常見的麥克風噪音問題，絕大部分也是源自環境問題，這部份的噪音來源以戶外為多，例如車輛、人潮等環境噪音，甚至是處於特殊場合，如機場或是車站，常見的風切問題也是不容一處理的環境噪訊。

當裝置於戶外使用時，設計方案為了避免環境噪訊，大多把音訊限在200Hz以下搭配高通濾波器讓訊號來源更單純，簡單的設計方法是於麥克風輸入搭配耦合電容進行率波，可過濾掉來自數位電路的雜訊，而多數的音訊DA轉換器也多有內建高通濾波器等效電路，但此種設計僅適合因應語音應用的場合，若用於音樂錄音的場合，會讓錄製的音訊因為濾波迴路的「效果」，讓音樂的低音無法彰顯，影響錄音效果。若是有預設必須支援音樂錄音的行動裝置，此濾波功能必須關閉，或是採雙麥克風拾音方式去改善環境噪音的影響！

揚聲器設計

行動裝置的揚聲器數量與對應的輸出功率，在音質至上的裝置設計中，也成為被強調的設計功能！例如，行動電話原本對於裝置的立體聲揚聲器的設置需求就不大，若為了提升音效重現效果，要在有限的空間追加立體聲設計，這表示輸出的揚聲器功放電路就要對應變成兩套，讓PCB的複雜度提升，功放晶片也必須對應設置。行動電話設計案中，常見的內建免持聽筒設計，其實也是透過雙揚聲器的方式設計，裝置本身設置一組較小的揚聲器作為接聽之用，較大的揚聲器則搭配高功率功放重現較響亮的免持聽筒效果。

與麥克風設計相同的是，當揚聲器數量增加，也會帶來晶片與等效電路的增加，對於精簡設計與微縮設計方向沒有什麼好處，而比較嚴重的是揚聲器的類比放大電路會消耗較高的供應電流，對於採電池作為主要電力來源的行動裝置來說，還必須納入節能的設計考量。

時脈和介面設計

一般來說，設計案中可以將通訊與應用電路間採部分共享的方式進行設計，但對於輸出/入介面來說，就無法如此進行開發，因為每一組音訊的串流訊號，都必須在獨立時脈的電路進行上運作，同時擁有獨立的時脈頻率，音訊時脈通常由石英振盪器產生，例如，AC'97的設計方式就是搭配一個外部的24.576MHz石英震盪器進行設計，而在行動裝置的設計案例中，系統設計師必須考慮額外的功耗問題、有限的PCB板空間，與增加的石英震盪器的元件成本。

系統工程師多半會選擇自PCB其他的時脈進行擷取、應用，雖然必須搭配鎖相迴路(PLL)實現擷取，但仍較額外追加石英振盪器的設計方式，更受開發者的青睞，因為具低功率、低雜訊的PLL鎖相迴路，基本上可以具備極低的成本整合於混合訊號IC。