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先進音頻處理解決方案為便攜通信設備提供Hi-Fi音頻質量

發布日期:2016-04-22 16:44:27

使用手機、無線耳機和集成網絡攝像頭麥克風和語音IP (VoIP)附件的筆記本電腦等便攜通信設備的消費者,都要求能在嘈雜環境下不用大聲通話和能聽到對方的說話,并且能不受回聲干擾。

影響音頻效果的因素眾多,如信噪比、動態范圍、失真度和瞬態響應等等,其中動態范圍是一個相當關鍵的技術指標,如果動態范圍過窄,就會使得整體的音頻表現力相當有限。在通話噪聲方面,一個典型的例子是在汽車中用手機通話時,除了用戶本身的聲音,設備還會捕獲持續及動態的背景噪聲,如風噪聲、地面噪聲或發動機噪聲等,這些噪聲可能會給通話的另一方造成嚴重干擾。

另外,由于便攜設備日趨小巧,麥克風和揚聲器的位置正靠得越來越近,手機用戶也可能會面臨自己傳送給對方的語音又被對方的麥克風傳送回來從而聽到回聲的窘境。

這些影響消費者音頻體驗的因素,使得他們要求制造商和系統設計人員在便攜通信設備中集成包含軟、硬件在內的更先進音頻處理功能,令嘈雜環境下的語音通話即使聲音不大也可被聽清楚,以及消除回聲等。這帶動了那些具有高保真(Hi-Fi)效果的音頻處理解決方案更受到消費者的青睞。

這些要求為設計人員帶來挑戰,因為他們通常必須在更小的外形尺寸,以及不影響功耗(電池壽命)、重量(電池大小)和成本(消費類設備尤其敏感)等設計限制下完成。

先進的BelaSigna 300音頻處理方案提供Hi-Fi音頻質量

身為全球領先的高性能、高能效硅方案供應商,安森美半導體的BelaSigna音頻處理解決方案系列,如BelaSigna250 和BelaSigna 300,正好為便攜系統提供更先進的音頻處理硬件和軟件,使設計人員既可應用復雜的音頻處理技術而不須犧牲電池使用時間或增大電池尺寸。

表1:安森美半導體BelaSigna系列音頻處理器主要指標

最新的BelaSigna 300是尺寸僅為3.6 × 2.6 mm的24位超低功率Hi-Fi音頻處理器,它以固定功能專用集成電路(ASIC)的功耗和尺寸提供通用數字信號處理器(DSP)的靈活性,增添的先進模擬音頻輸入及24位信號通道可實現極佳的音頻質量,獨特的專利雙核架構實現回聲消除和噪聲消減等眾多先進音頻算法同時運行,而且功率消耗更低,適合于手機和無線耳機等便攜通信設備應用。圖1是BelaSigna 300的功能模塊圖,各個功能模塊的簡要分析如下:

圖1:安森美半導體BelaSigna 300音頻處理器的功能模塊圖

輸入段(Input Stage):提供信號選擇、信號放大、防混疊(anti-alias)濾波、模擬-數字轉換(ADC)和采樣率抽取功率。支持多種麥克風和線路電平音頻輸入信號。四個獨立Sigma-Delta ADC能夠同時使用。還能結合其中兩個ADC組成一個輸入通道,使得動態范圍高達110dB。

輸入輸出控制器(IOC):先進的直接存儲器存取(DMA)處理器定制設計用于管理音頻信號移動,而不需要加載任意一個DSP內核(HEAR或CFX)。智能存取機制確保只需要最少的地址算法,簡化了整體系統的編程。

片上外設(On-chip Peripheral):強大的電源管理模塊能夠處理多種電池或電源條件;時鐘產生和管理模塊提供優化的計算效率/功率比;IP保護模塊防止未經授權的軟件訪問。定時器和其它系統監視模塊用于進一步簡化系統編程。

HEAR可配置加速器:執行超高效率的低延遲、高保真(Hi-Fi)濾波器組和矢量處理操作。濾波能夠工作在時域以及頻率,可以采用統一或非統一頻段設置。HEAR加速器的功能鏈高度可配置,具有專用軟件工具。

CFX DSP內核:這個完全可編程的24位雙MAC DSP內核是主數字處理器,用于配置系統和協調信號數據流。包括能夠實現微控制器(MCU)功能的指令集。

輸出段(Output Stage):提供上采樣(up-sampling),直接驅動揚聲器,為耳機和耳筒提供適宜的輸出功率;采用單獨的直流解耦濾波器,確保即便在最高輸出功率下也能提供最低的失真。

接口:支持GPIO、I2C、LSAD、PCM/I2S、UART和SPI接口,確保無縫連接至其它系統和典型人機接口(MMI)器件,如按鍵、電位計和發光二極管(LED)等。

圖2: BelaSigna 300 Hi-Fi音頻處理器在手機和免提電話中的應用電路圖

圖2所示的是BelaSigna 300音頻處理器在手機和免提電話中的應用示例。需要說明的是,圖中的揚聲器功能可以被集成為耳筒揚聲器,但在大功率免提電話揚聲器中仍然保持外置。

不同算法軟件與硬件相輔相成,滿足差異化需求

安森美半導體除了提供BelaSigna系列音頻處理器的硬件本身,還提供包括先進的回聲消除算法、噪聲消減和其它音頻增強算法在內的嵌入式軟件與硬件相輔相成,供設計人員選擇。這些嵌入式軟件涵蓋安森美半導體算法,ExAudio、2Pi 、dlab、SRS Labs和Alango等第三方合作伙伴提供的算法解決方案,客戶開發的算法,以及安森美半導體針對應用需求開發的定制算法等。此外,安森美半導體還提供各種開發支持,如技術支持和培訓、工程和設計服務、參考設計以及評估和開發工具(如硬件參考工具、DSP開發工具和通信工具),方便應用設計。

以BelaSigna 300為例,安森美半導體提供或規劃提供多種捆綁的算法軟件,滿足客戶的差異化需求。這些捆綁軟件包括:

·LP-AEC(采用AEC和SNE算法,用于免提電話和手機)

·噪聲消減(采用SNE算法,用于便攜通信設備)

·TX捆綁軟件(采用雙麥克風和AEC算法,用于手機和筆記本電腦)

·RX捆綁軟件(采用SNE、EQ、AAE算法,用于手機和手機附件)

·“綜合包”(包括RX捆綁軟件和支持AEC、SNE算法的TX捆綁軟件,用于手機和通信設備)

總結

消費者對便攜通信設備的音頻質量要求越來越高,且要求電池使用時間更長。這驅使制造商和系統設計人員在便攜通信設備中采用先進的低功率音頻處理技術,進行更好的噪聲消減和回聲消除,提供更高的音頻再現效果。安森美半導體的具有Hi-Fi音效的BelaSigna 300音頻處理器,采用專利的雙核架構,以ASIC的功耗和尺寸提供DSP的靈活性,支持先進的噪聲消減、回聲消除和音頻增強算法,提供極高的動態范圍,占用極小的電路板空間,并且典型功耗超低,僅需1~10 mW,非常適合于手機和無線耳機等便攜通信設備應用。為了滿足可能的差異化需求及方便便攜系統設計人員的開發,安森美半導體更提供豐富的捆綁算法軟件包、參考設計和評估與開發工具,幫助他們縮短開發時間,加快產品上市進程。

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