将音频编解码器植入28nm高级移动多媒体芯片系统 - 数模混合 -
概述
音频处理对于手机、平板电脑等消费电子应用和其他大量生产的产品非常重要。面积和功耗往往是关键设计标准，而市场要求有高质量高保真（Hi-Fi）音频效果。将经过硅验证和优化的音频IP集成实现特定的音频功能，有助降低当今多媒体芯片系统的功耗、面积和成本。
随着设计逐渐过渡到28纳米工艺技术，集成音频功能这一挑战变得愈加复杂，原因是模拟电路并不遵循摩尔定律，也不会随着工艺发展而尺寸减小。采用28纳米工艺的晶圆成本会比65纳米或40纳米工艺技术高出许多。数字电路遵循摩尔定律，虽然晶圆成本提高，但是它的性能和密度也提升了。音频编解码器采用的模拟电路一般使用IO器件，因此不会像数字电路那样使用内核器件（core device）而减小尺寸。这样晶圆成本增加的同时，模拟电路固有性能并没有改善，面积也没有减小，因此必须开发新的架构以减少总面积。例如，采用65纳米技术、面积为2.5平方毫米的音频编解码器，在采用28毫米技术后面积需要减小至1.9平方毫米才能使硅成本保持相同。就是这25%面积的减小构成了对高级工艺节点音频编解码器的关键挑战。
本文研究了将音频功能集成在28纳米移动多媒体芯片系统上所面临的主要系统及技术挑战，以及如何通过以下技术应对这些挑战：
·利用摩尔定律，将部分功能从模拟改由数字来实现；
·灵活设计，支持芯片系统通用参考时钟的音频采样速率；
·做好好电源电压降低和性能之间的平衡；
· 深入了解芯片系统之外的系统功能划分；
认识到有措施可使系统成本最小化，设计人员和系统架构师将能够发现成本、功能和性能之间的有效平衡，使他们能够嵌入音频IP解码器解决方案，从而帮助他们的SOC在竞争中胜出。
音频编解码器基本知识
音频编解码器主要由两类数据转换器模块组成，即用于录音的模拟-数字转换器（ADC）和用于回放的数字-模拟换器（DAC）。对于立体声或多声道解码器，这些模块会被分别复制。图1是典型的立体声音频编解码器框图。 图中文录音声道包括具有音量控制的放大器，可将小信号麦克风和大信号线缆调整到模拟-数字转换器的输入范围。回放声道包括能够直接驱动耳机或小型扬声器放大，每路都分别具有音量控制功能。此外还有提供麦克风偏置的低噪音电源。
数字电路有多个部分构成，最重要的是数字音频滤波器，它可将数据速率转换为数据转换器的过采样时钟，并消除音频带外的高频噪声。时钟管理也很重要，它可确保不同速率的模块彼此保持同步，并支持多种采样速率。
图1：音频编解码器功能性框图
音频编解码器基本知识
开发高效的28纳米音频编解码器的第一步是利用更先进的工艺减少面积和提高总体性能。采用28纳米技术后数字性能显著改善，因此，明智的音频工程师会接受而不是反对向高级节点迁移。结果就是系统架构在数字域实现尽可能多的功能。通过将更多的信号处理从模拟域转到数字域，包括音量调节、混合和切换，音频编解码器可以利用先进工艺。结果是，数据转换器移到离外界接口更近的地方，从而简化了模拟布局，其他功能则保留在数字域，而数字域受益于先进工艺。
通过将更多信号处理从模拟域迁移到数字域，音频编解码器可提高符合摩尔定律的数字电路比例，并减少模拟电路比例。这产生了以数字为中心的新架构。在这种新架构中，所有信号处理都在数字模块执行，周边模拟电路包括数据转换器和异步采样速率转换器（ASRC），见图2。ASRC技术将在下一部分详细介绍。
现代移动多媒体系统有可能有多个数字主控，全部在各自的时钟域运行。例如，基带处理器将管理与蜂窝式无线电的通讯，应用处理器将管理来自系统闪存的媒体文件，而蓝牙集成电路（IC）可连接数量不限的蓝牙周边设备。每个数字主控都分别按照异步时钟速率运行。因此，这一系统中的音频编解码器不仅在数字域和模拟域之间架起了桥梁，而且还在数字生态系统中不同时钟域之间进行互动通讯。
图2：伴随数字音频主控进行以数字为中心的音频处理
灵活设计支持多个时钟速率
大量数字主控和时钟域给音频编解码器，特别是对高度集成的28纳米芯片系统造成了又一个挑战。按不同标准速率对数字音频采样，如表1所示。音频编解码器上数据转换器要求的时钟取决于音频数据采样速率和主机应用于芯片系统上的时钟。由于存在多种音频采样速率和各种主机时钟，它们的组合相当复杂。数字滤波器可为解决这一问题发挥重要作用，原因是它们可以处理数字音频接口和音频数据转换器之间的数据采样，因此能够进行采样速率转换。
表1：标准音频采样速率
由于数据转换器必须以过采样频率（通常是128X和256X）运行，驱动数据转换器所需的主时钟频率介于5-12MHz范围。因此，音频编解码器必须支持各种不同的音频采样速率，并适应主时钟频率，便于其在应用中集成。但是，由于存在多种时钟频率比率的组合与制约，这个目标实现起来并不直接。因此，数字滤波器必须包括采样速率转换配置。表2是音频采样速率和采样速率转换不同组合的常用采样频率。
表2：音频采样速率和采样速率转换不同组合的常用采样频率
为了适应所有数据速率和可用时钟的组合，设计人员可采用各种技巧，详见下一部分。
技巧1：音频时钟使用锁相环路
由于一些条件如空间和/或成本的限制，许多应用无法使用音频编解码器专用的晶体振荡器。音频编解码器必须能够支持现有主机主时钟的不同音频速率（通常是USB时钟的12MHz或它的倍数）。锁相环路（PLL）可用于生成所需要的音频时钟。由于要求非常好的频率分辨率以支持所有频率组合且，同时要提供低抖动输出时钟，这对锁相环路的性能要求超出了一般标准，而且。因此，最好采用不要求锁相环路的其他解决方案。
技巧2：重复使用没有锁相环路的USB时钟
一种替代解决方案是采用没有锁相环路的技术，即重复使用USB时钟和避免为音频添加专用锁相环路。USB是非常很受欢迎的接口，几乎是普遍存在于所有应用中。12MHz或24MHz的时钟都可使用，它们的抖动相对较低，而这是音频的重要要求。24MHz USB时钟可支持48kS/s音频速率及其倍数的音频速率，如96kS/s和192kS/s，因为它是整数倍数（24，000=125x192）。要使用24MHz USB时钟，需要将滤波器采样速率转换从标称的128倍重新配置为125倍。
但是，44.1kS/s音频速率只能近似生成。利用136倍采样速率转换，音频时钟可大约达到44.1176kS/s，与标称值略有不同，不过这种差别非常小，难以感觉到，实际上音高仅有0.04%的变化。这样小的变化比半音程小一百倍，而快0.04%的回放速度会导致3分钟的歌曲提前10毫秒结束。
表3列出了12MHz或24MHz USB时钟基础上通用音频采样速率的转换因数。音高误差是由于44.1kHz音频采样速率转换倍数不是整数。
表3：USB时钟频率与音频时钟采样比率
技巧3：采用采样速率转换器
音频互连时，采样速率转换器（SRC）具有灵活性和简易性，因此常常与不含锁相环路的技术结合在一起使用。基本来说，数字滤波器改变了数据采样频率。它可以增大采样频率（上采样）或减小采样频率（下采样）。它可以“同步”和“异步”运行。如果是同步采样速率转换器，输入输出速率固定。如果是异步采样速率转换器，输入输出速率的其中之一或二者都发生变化，滤波器被自动重新配置。它利用速率估算法来持续跟踪输入输出采样速率之间的比率。当系统的接收器必须“锁定”到由单独的晶体振荡器计时的音频源的时候，异步采样速率转换器（ASRCs）通常会用到。
典型应用需要以不同的采样速率在音频源之间多路选择。通过ASRC重采样到共用时钟，采样速率为44.1kS/s的数据可以与48kS/s的其他数据一起进行多路选择。
同样的过程可用来将采样速率相同但来自异步时钟的材料进行多路选择。
另外一种应用是对主机时钟上进入的音频流重新采样，但它不一定是标准音频频率。例如，它可以是来自手机通讯广播的时钟。
管理好电源电压降低后的性能平衡
耳机功率要求
音频信号动态范围广，通常峰值非常明显（见图3）因此，音频驱动必须有足够的输出功率支持所有听取声压级，并且峰值不会饱和。
对于典型的听取声压级来说，驱动必须能够支持峰值功率高出平均功率至少15分贝。例如，典型的32欧姆耳机灵敏度大约为95分贝，这意味着该耳机产生出95分贝声压级，输入信号为1mW。为了产生出100分贝声压级来支持表4中的音乐高音音域，峰值与均值之比为15分贝，耳机输出驱动必须能够支持115分贝声压级，对应提供100mW峰值功率。功率100mW的耳机，时间久了会损害听力。因此，为了呈现舒适充分的收听体验，耳机驱动一般采用的最大峰值功率为40mW。
图3：典型音频输出（经典音乐
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