面向高清电视全数字音频系统的设计

文章摘要： 今天，三个产业因素汇合在一起围绕着系统接口功能上产生了一个“完美风暴”，这类似于过去SoC所曾经历的那样。首先，市场受到消费者对数字生活方式的需求推动，在产生、存储、发送和处理数字内容上的技术进步也促进了市场的发展。其次，如高压(HV)CMOS这样的关键半导体工艺技术已经步入实用，这也推动了低成本地集成系统接口功能(需要电源模拟电路)所必须要求的规模经济。第三，出现了可以用于功率模拟功能的创新架构技术，例如电源管理和音频放大。随着SoC集成趋势，这三股力量相互加强，形成了系统接口芯片(SIC)集成的强大支持力量。 音频是消费电子产品的关键 便携性和可用性是推出当前消费者期望

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    今天，三个产业因素汇合在一起围绕着系统接口功能上产生了一个“完美风暴”，这类似于过去SoC所曾经历的那样。首先，市场受到消费者对数字生活方式的需求推动，在产生、存储、发送和处理数字内容上的技术进步也促进了市场的发展。其次，如高压(HV)CMOS这样的关键半导体工艺技术已经步入实用，这也推动了低成本地集成系统接口功能(需要电源模拟电路)所必须要求的规模经济。第三，出现了可以用于功率模拟功能的创新架构技术，例如电源管理和音频放大。随着SoC集成趋势，这三股力量相互加强，形成了系统接口芯片(SIC)集成的强大支持力量。

    音频是消费电子产品的关键

    便携性和可用性是推出当前消费者期望的产品的成功关键因素(以iPod为见证)，实现这些产品特性的关键技术是针对便携性的电源管理SIC和针对可用性的音频SIC。音频是当前消费电子产品中普遍存在的关键部分。事实上，很难以想象在哪个产品中—从平板电视到蜂窝电话、膝上型电脑、个人媒体播放器到录像机甚至到数字像机—不具有或者将来也不会具有这样或那样的音频功能。因而，音频是SIC集成的一个自然的关键推动因素。

    不仅仅是单纯出现音频、音频质量—或者更准确地说—音频的保真度，对于最终产品被消费者所感知的质量来说是非常重要的。人对声音体验的处理既是有意识的，也是潜意识地形成一种感觉并做出评判。音频总是处于前面和中间，需要能够听出是按钮按下的声音、旋钮旋转的声音，或者是音轨的清晰、温暖和细节体验。

    即使是在评估高清晰平板电视的图像质量时，如果配之以较高保真度的音响效果，消费者都会对图像做出更高的评价。系统设计工程师需要特别注意他们在消费电子产品中设计的音频的保真度，选择在不损害音频保真度的情况下能满足系统对功耗、接口兼容性、外形尺寸、一致性以及成本要求的技术。

    数字放大器——音频SIC的关键

    设计真正高保真音频器件是非常棘手的事。很多可以明了和难以明了的因素共同影响体验到的音频保真度。对于好的音频质量，尽管像总谐波失真(THD)和信噪比(SNR)这些可测试的衡量标准是必要的，但是它们通常并不能得出整个情况。以高清电视采用音频放大器为例，两个放大器都具有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样的声音体验，这种体验取决于失真的特性和噪声，并取决于放大器能多大程度上真实地再现非常小的音频信号。例如，一个能再现满幅度信号下100dB的信号放大器与一个只有85dBFS的放大器相比，声音体验非常柔和、清晰、清脆。因此，尽管测试规格很重要，音频放大器设计的艺术取决于多个设计因素的平衡以及“金耳朵”专家非常细致的主观判断。

    音频保真度最终要依靠喇叭和功率放大器来实现，这些是音频信号链路的最后功能，在这里电子信号被转换成可以听见的声音信号。不同领域之间的转换总是很棘手，在这里也不利外。在当前使用数字SoC的系统架构中，需要采用放大器来将数字音频的比特转换成功率模拟信号，这个信号可以驱动低阻抗喇叭音圈，从而产生我们耳朵能听到的声波。事实上，要低成本地实现这种功能—符合总体系统要求且不需要牺牲声音的保真度—是很困难的，但也是必要的。

    尽管最初采用传统的A/B类模拟放大器与音频数模转换器(DAC)组合就是为实现这个任务，但是这种解决方案不能满足当前数字系统架构要求的功效和集成能力。D类放大器最初是受到平板电视的热敏感因素推动，现在因为其优越的功效而得到很多数字音频系统的采纳，其效率达90%，而A/B类放大器只有50%。当前以音频为主的消费电子产品的关键挑战在于：采用D类功率级以及数字信号接口以开发出高保真的放大器技术。

    很明显，数字音频放大器技术是音频系统SIC集成的关键。音频在当前的消费电子产品中广泛存在，对于感受产品质量来说是最重要的。数字化的生活方式推动了对具备独特数字音频放大器属性的新产品要求，系统架构的数字化推动数字接口更接近于现实生活的边界。半导体经济正在推动SIC集成以包含所有的功能;在这种追求中，集成数字音频放大器是最为关键的挑战。可以说，在消费产品中，数字放大器技术相对于模拟SIC的集成是绝对必要的，正如视频和图像处理技术相对于数字SoC的是绝对必要一样。

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