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声音字节与音频转换器技术

发布时间:2007/8/23 0:00:00 访问次数:716

      如果没有音频转换器,我们最喜爱的某些产品就会停滞不前,得不到发展。

  要点
  ● 音频转换器的功能与特性并不能像应用它们的最终产品那样划分得一清二楚。
  ● 对大多数消费类设备而言,器件的集成度是最重要的。转换器性能已经够用,近期不会有显著的提高。
  ● 仍然有很大创新的空间,但在消费类设备领域内,工作的重点不是关注性能,而是成本、尺寸、功耗与功能。
  ● 对高端消费类音频设备与专业音频设备的要求模糊不请,但两者仍有差别。规模经济将驱使许多转换器进入这两个市场,但对一个市场有吸引力的特性可能在另一市场中完全无用。

  自从 1933 年 Harvvey Fletcher  和 WA Munson 定义了首先被广泛采纳的人类听觉特性以来,研究工作又进一步提高了我们对听觉响应的认识(参考文献 1 ~ 4)。但是,公认有效的听觉刺激范围却没有显著的变化,基本上仍然是20 Hz ~ 20 kHz 和 0 ~125 dB SPL(声压级,以 1 kHz 音频信号的 20mPa为基准的)。变化大的是在使用声音交流信息和娱乐的方式方法上,特别是从廉价数字技术(如高密度存储、低成本通信以及高速信号处理)出现以来更是如此。因此,虽然我们仍然是属于模拟世界中的模拟生物,但我们越来越依赖于数字编码的音频信息以及能将模拟和数字两个领域联系起来的转换器。

  尽管有关人类听觉能力的概念基本没有变化,但各种音频转换器却变化无穷,很多活跃的 IC 制造商生产出了几十种丰富多彩的器件。许多设备采用采样率为每秒8 ~ 192k的8~24位数字音频编码信号(见附文《我们需要多少动态范围?》)。差不多各种设备均规定了采样率和分辨率,而这两种特性只是作为定义以特定市场为目标的转换器的起点。事实上,采样率和分辨率组合是很普遍的,以至各种消费类产品之间以及消费类音频设备与专业音频设备之间的市场界限变得模糊不清。

  基本情况

  除了最高端市场以外,消费类设备用的音频转换器一般不再是独立的部件。确切地说,IC 制造厂将转换器功能集成到音频子系统芯片中,提供针对专用终端产品的许多功能。由于信号源与信号目标的局限性,这些 IC 在音频性能方面几乎不进行竞争,手机、便携式 MP3 播放机或音箱对高保真的要求对 IC 设计者来说不是问题。对这些产品来说更重要的是信号处理功能,如音量、音调、信号动态控制,信号源选择器与混合器,以及某些设备中的数据速率捷变。

  原先对手持式便携设备提出的要求现在要求固定安装的消费类设备也要达到。这些要求包括功耗低、封装尺寸小和支撑元件极小。所以,能够最有效地集成混合信号功能的那些公司在消费类电子产品市场中拥有更大份额。即使功能列表中包括非音频专用项目,这种观念仍然适用。

  例如,Wolfson 微电子公司的 WM9713L 将双编解码器与触摸屏接口集成在一起,供 PDA、智能手机以及手持计算机使用。高保真立体声编解码器提供两个话筒前置放大器、一个信号源选择器、一个 ADC、一个自动电平控制器、音调控制器、一个DAC、一个耳机/话筒/扬声器切换矩阵、输出放大器,以及一个与 AC’97 标准 2.2 修订版兼容的接口。片上 PLL 产生适用于高达 48k 采样速率的音频数据采样时钟。一个独立的视频编解码器可通过独立 PCM/I2C 接口支持电话业务。电阻式触摸屏接口支持四线和五线触摸屏,并可测量 XY 轴位置和 Z 轴压力。

  9713L在线路电平输出端的最大总谐波失真(THD)在满刻度-3dB范围内为-74dB,线路输出端的最小 A 加权信噪比(SNR)为 85 dB。从电路输入端口至 ADC 的信号链具有-80dB THD 和 80dB SNR。耳机放大器可以提供最高 45 mW 功率,而扬声器放大器则可以为 8Ω 桥接负载提供 400 mW 功率。
  Wolfson公司还在这种 7×7mm 的 QFN-48 封装内纳入了大量其它功能——足以写满 100 页以上的数据表。这些功能与灵活性给人印象深刻。不过,有两点均与电源主题有关。积极的一面是,售价为3.35 美元(1000件批量)的WM9713L可由低至 1.62V 的数字电压和1.8V 的模拟电压供电工作。(除放大器电源电压可以高至 4.2V 外,其它部分电压最大值为 3.6V。)消极的一面是,尽管 WM9713L 已经是第三代的系列产品,而且无疑在设计过程中经历了大量的仿真工作,但该公司却没有提及这一器件的功耗特性。这很可能是一个远非某个数据可以完全解答的复杂的问题:时钟速率、采样率、工作模式、信号电平和负载阻抗都会影响总功耗。这种影响又因地域不同而各异。大多数便携产品均是在功能组合和每次充电后的工作时间方面进行竞争,虽然在其它许多功能超出了功率低限的情况下,9713L 仍然能保持长时间的工作,但我们还是有理由想知道两个编解码器会消耗多少电池能量。

  不过,对期盼的功能要小心谨慎。德州仪器公司在 TSC2101 数据表中用整整一页描述了对电源要求。如果与该器件的功能块图对

      如果没有音频转换器,我们最喜爱的某些产品就会停滞不前,得不到发展。

  要点
  ● 音频转换器的功能与特性并不能像应用它们的最终产品那样划分得一清二楚。
  ● 对大多数消费类设备而言,器件的集成度是最重要的。转换器性能已经够用,近期不会有显著的提高。
  ● 仍然有很大创新的空间,但在消费类设备领域内,工作的重点不是关注性能,而是成本、尺寸、功耗与功能。
  ● 对高端消费类音频设备与专业音频设备的要求模糊不请,但两者仍有差别。规模经济将驱使许多转换器进入这两个市场,但对一个市场有吸引力的特性可能在另一市场中完全无用。

  自从 1933 年 Harvvey Fletcher  和 WA Munson 定义了首先被广泛采纳的人类听觉特性以来,研究工作又进一步提高了我们对听觉响应的认识(参考文献 1 ~ 4)。但是,公认有效的听觉刺激范围却没有显著的变化,基本上仍然是20 Hz ~ 20 kHz 和 0 ~125 dB SPL(声压级,以 1 kHz 音频信号的 20mPa为基准的)。变化大的是在使用声音交流信息和娱乐的方式方法上,特别是从廉价数字技术(如高密度存储、低成本通信以及高速信号处理)出现以来更是如此。因此,虽然我们仍然是属于模拟世界中的模拟生物,但我们越来越依赖于数字编码的音频信息以及能将模拟和数字两个领域联系起来的转换器。

  尽管有关人类听觉能力的概念基本没有变化,但各种音频转换器却变化无穷,很多活跃的 IC 制造商生产出了几十种丰富多彩的器件。许多设备采用采样率为每秒8 ~ 192k的8~24位数字音频编码信号(见附文《我们需要多少动态范围?》)。差不多各种设备均规定了采样率和分辨率,而这两种特性只是作为定义以特定市场为目标的转换器的起点。事实上,采样率和分辨率组合是很普遍的,以至各种消费类产品之间以及消费类音频设备与专业音频设备之间的市场界限变得模糊不清。

  基本情况

  除了最高端市场以外,消费类设备用的音频转换器一般不再是独立的部件。确切地说,IC 制造厂将转换器功能集成到音频子系统芯片中,提供针对专用终端产品的许多功能。由于信号源与信号目标的局限性,这些 IC 在音频性能方面几乎不进行竞争,手机、便携式 MP3 播放机或音箱对高保真的要求对 IC 设计者来说不是问题。对这些产品来说更重要的是信号处理功能,如音量、音调、信号动态控制,信号源选择器与混合器,以及某些设备中的数据速率捷变。

  原先对手持式便携设备提出的要求现在要求固定安装的消费类设备也要达到。这些要求包括功耗低、封装尺寸小和支撑元件极小。所以,能够最有效地集成混合信号功能的那些公司在消费类电子产品市场中拥有更大份额。即使功能列表中包括非音频专用项目,这种观念仍然适用。

  例如,Wolfson 微电子公司的 WM9713L 将双编解码器与触摸屏接口集成在一起,供 PDA、智能手机以及手持计算机使用。高保真立体声编解码器提供两个话筒前置放大器、一个信号源选择器、一个 ADC、一个自动电平控制器、音调控制器、一个DAC、一个耳机/话筒/扬声器切换矩阵、输出放大器,以及一个与 AC’97 标准 2.2 修订版兼容的接口。片上 PLL 产生适用于高达 48k 采样速率的音频数据采样时钟。一个独立的视频编解码器可通过独立 PCM/I2C 接口支持电话业务。电阻式触摸屏接口支持四线和五线触摸屏,并可测量 XY 轴位置和 Z 轴压力。

  9713L在线路电平输出端的最大总谐波失真(THD)在满刻度-3dB范围内为-74dB,线路输出端的最小 A 加权信噪比(SNR)为 85 dB。从电路输入端口至 ADC 的信号链具有-80dB THD 和 80dB SNR。耳机放大器可以提供最高 45 mW 功率,而扬声器放大器则可以为 8Ω 桥接负载提供 400 mW 功率。
  Wolfson公司还在这种 7×7mm 的 QFN-48 封装内纳入了大量其它功能——足以写满 100 页以上的数据表。这些功能与灵活性给人印象深刻。不过,有两点均与电源主题有关。积极的一面是,售价为3.35 美元(1000件批量)的WM9713L可由低至 1.62V 的数字电压和1.8V 的模拟电压供电工作。(除放大器电源电压可以高至 4.2V 外,其它部分电压最大值为 3.6V。)消极的一面是,尽管 WM9713L 已经是第三代的系列产品,而且无疑在设计过程中经历了大量的仿真工作,但该公司却没有提及这一器件的功耗特性。这很可能是一个远非某个数据可以完全解答的复杂的问题:时钟速率、采样率、工作模式、信号电平和负载阻抗都会影响总功耗。这种影响又因地域不同而各异。大多数便携产品均是在功能组合和每次充电后的工作时间方面进行竞争,虽然在其它许多功能超出了功率低限的情况下,9713L 仍然能保持长时间的工作,但我们还是有理由想知道两个编解码器会消耗多少电池能量。

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