先进音频处理解决方案为便携通信设备提供Hi-Fi音频质量
2009-10-26 11:24:22
来源：《半导体器件应用》2009年10月刊
1 前言
使用手机、无线耳机集成网络摄像头麦克风和语音IP (VoIP)附件的笔记本电脑等便携通信设备的消费者，都要求能在嘈杂环境下不用大声通话和能听到对方的说话，并且能不受回声干扰。
影响音频效果的因素众多，如信噪比、动态范围、失真度和瞬态响应等等，其中动态范围是一个相当关键的技术指标，如果动态范围过窄，就会使得整体的音频表现力相当有限。在通话噪声方面，一个典型的例子是在汽车中用手机通话时，除了用户本身的声音，设备还会捕获持续及动态的背景噪声，如风噪声、地面噪声或发动机噪声等，这些噪声可能会给通话的另一方造成严重干扰。
另外，由于便携设备日趋小巧，麦克风和扬声器的位置正靠得越来越近，手机用户也可能会面临自己传送给对方的语音又被对方的麦克风传送回来从而听到回声的窘境。
这些影响消费者音频体验的因素，使得他们要求制造商和系统设计人员在便携通信设备中集成包含软、硬件在内的更先进音频处理功能，令嘈杂环境下的语音通话即使声音不大也可被听清楚，以及消除回声等。这带动了那些具有高保真(Hi-Fi)效果的音频处理解决方案更受到消费者的青睐。
这些要求为设计人员带来挑战，因为他们通常必须在更小的外形尺寸，以及不影响功耗（电池寿命）、重量（电池大小）和成本（消费类设备尤其敏感）等设计限制下完成。
2 先进的BelaSigna® 300音频处理方案提供Hi-Fi音频质量
身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，安森美半导体的BelaSigna®音频处理解决方案系列，如BelaSigna® 250 和BelaSigna® 300，正好为便携系统提供更先进的音频处理硬件和软件，使设计人员既可应用复杂的音频处理技术而不须牺牲电池使用时间或增大电池尺寸。
最新的BelaSigna® 300是尺寸仅为3.6×2.6mm的24位超低功率Hi-Fi音频处理器。它以固定功能专用集成电路(ASIC)的功耗和尺寸提供通用数字信号处理器(DSP)的灵活性，增添的先进模拟音频输入及24位信号通道可实现极佳的音频质量，独特的专利双核架构实现回声消除和噪声消减等众多先进音频算法同时运行，而且功率消耗更低，适合于手机和无线耳机等便携通信设备应用。图1是BelaSigna® 300的功能模块图，各个功能模块的简要分析如下：
(1)输入段(Input Stage)
提供信号选择、信号放大、防混叠(anti-alias)滤波、模拟-数字转换(ADC)和采样率抽取功率。支持多种麦克风和线路-电平音频输入信号。四个独立Sigma-Delta ADC能够同时使用。还能结合其中两个ADC组成一个输入通道，使得动态范围高达110dB。
(2)输入输出控制器(IOC)
先进的直接存储器存取(DMA)处理器定制设计用于管理音频信号移动，而不需要加载任意一个DSP内核(HEAR或CFX)。智能存取机制确保只需要最少的地址算法，简化了整体系统的编程。
(3)片上外设(On-chip Peripheral)
强大的电源管理模块能够处理多种电池或电源条件；时钟产生和管理模块提供优化的计算效率/功率比；IP保护模块防止未经授权的软件访问。定时器和其它系统监视模块用于进一步简化系统编程。
(4)HEAR可配置加速器
执行超高效率的低延迟、高保真(Hi-Fi)滤波器组和矢量处理操作。滤波能够工作在时域以及频率，可以采用统一或非统一频段设置。HEAR加速器的功能链高度可配置，具有专用软件工具。
(5)CFX DSP内核
这个完全可编程的24位双MAC DSP内核是主数字处理器，用于配置系统和协调信号数据流，包括能够实现微控制器(MCU)功能的指令集。
(6)输出段(Output Stage)
提供上采样(up-sampling)，直接驱动扬声器，为耳机和耳筒提供适宜的输出功率；采用单独的直流解耦滤波器，确保即便在最高输出功率下也能提供最低的失真。
(7)接口
支持GPIO、I2C、LSAD、PCM/I2S、UART和SPI接口，确保无缝连接至其它系统和典型人机接口(MMI)器件，如按键、电位计和发光二极管(LED)等。
图2所示的是BelaSigna® 300音频处理器在手机和免提电话中的应用示例。需要说明的是，图中的扬声器功能可以被集成为耳筒扬声器，但在大功率免提电话扬声器中仍然保持外置。
3 不同算法软件与硬件相辅相成以满足差异化需求
安森美半导体除了提供BelaSigna®系列音频处理器的硬件本身，还提供包括先进的回声消除算法、噪声消减和其它音频增强算法在内的嵌入式软件与硬件相辅相成，供设计人员选择。这些嵌入式软件涵盖安森美半导体算法，ExAudio、2Pi 、dlab、SRS Labs和Alango等第三方合作伙伴提供的算法解决方案，客户开发的算法，以及安森美半导体针对应用需求开发的定制算法等。此外，安森美半导体还提供各种开发支持，如技术支持和培训、工程和设计服务、参考设计以及评估和开发工具（如硬件参考工具、DSP开发工具和通信工具），方便应用设计。
以BelaSigna®300为例，安森美半导体提供或规划提供多种捆绑的算法软件，满足客户的差异化需求。这些捆绑软件包括：
(1) LP-AEC（采用AEC和SNE算法，用于免提电话和手机）；
(2)噪声消减（采用SNE算法，用于便携通信设备）；
(3) TX捆绑软件（采用双麦克风和AEC算法，用于手机和笔记本电脑）；
(4) RX捆绑软件（采用SNE、EQ、AAE算法，用于手机和手机附件）；
(5)“综合包”（包括RX捆绑软件和支持AEC、SNE算法的TX捆绑软件，用于手机和通信设备）。
4 总结
消费者对便携通信设备的音频质量要求越来越高，且要求电池使用时间更长。这驱使制造商和系统设计人员在便携通信设备中采用先进的低功率音频处理技术，进行更好的噪声消减和回声消除，提供更高的音频再现效果。安森美半导体的具有Hi-Fi音效的BelaSigna® 300音频处理器，采用专利的双核架构，以ASIC的功耗和尺寸提供DSP的灵活性，支持先进的噪声消减、回声消除和音频增强算法，提供极高的动态范围，占用极小的电路板空间，并且典型功耗超低，仅需1mW~10mW，非常适合于手机和无线耳机等便携通信设备应用。为了满足可能的差异化需求及方便便携系统设计人员的开发，安森美半导体更提供丰富的捆绑算法软件包、参考设计和评估与开发工具，帮助他们缩短开发时间，加快产品上市进程。
使用手机、无线耳机集成网络摄像头麦克风和语音IP (VoIP)附件的笔记本电脑等便携通信设备的消费者，都要求能在嘈杂环境下不用大声通话和能听到对方的说话，并且能不受回声干扰。
影响音频效果的因素众多，如信噪比、动态范围、失真度和瞬态响应等等，其中动态范围是一个相当关键的技术指标，如果动态范围过窄，就会使得整体的音频表现力相当有限。在通话噪声方面，一个典型的例子是在汽车中用手机通话时，除了用户本身的声音，设备还会捕获持续及动态的背景噪声，如风噪声、地面噪声或发动机噪声等，这些噪声可能会给通话的另一方造成严重干扰。
另外，由于便携设备日趋小巧，麦克风和扬声器的位置正靠得越来越近，手机用户也可能会面临自己传送给对方的语音又被对方的麦克风传送回来从而听到回声的窘境。
这些影响消费者音频体验的因素，使得他们要求制造商和系统设计人员在便携通信设备中集成包含软、硬件在内的更先进音频处理功能，令嘈杂环境下的语音通话即使声音不大也可被听清楚，以及消除回声等。这带动了那些具有高保真(Hi-Fi)效果的音频处理解决方案更受到消费者的青睐。
这些要求为设计人员带来挑战，因为他们通常必须在更小的外形尺寸，以及不影响功耗（电池寿命）、重量（电池大小）和成本（消费类设备尤其敏感）等设计限制下完成。
2 先进的BelaSigna® 300音频处理方案提供Hi-Fi音频质量
身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，安森美半导体的BelaSigna®音频处理解决方案系列，如BelaSigna® 250 和BelaSigna® 300，正好为便携系统提供更先进的音频处理硬件和软件，使设计人员既可应用复杂的音频处理技术而不须牺牲电池使用时间或增大电池尺寸。
最新的BelaSigna® 300是尺寸仅为3.6×2.6mm的24位超低功率Hi-Fi音频处理器。它以固定功能专用集成电路(ASIC)的功耗和尺寸提供通用数字信号处理器(DSP)的灵活性，增添的先进模拟音频输入及24位信号通道可实现极佳的音频质量，独特的专利双核架构实现回声消除和噪声消减等众多先进音频算法同时运行，而且功率消耗更低，适合于手机和无线耳机等便携通信设备应用。图1是BelaSigna® 300的功能模块图，各个功能模块的简要分析如下：
(1)输入段(Input Stage)
提供信号选择、信号放大、防混叠(anti-alias)滤波、模拟-数字转换(ADC)和采样率抽取功率。支持多种麦克风和线路-电平音频输入信号。四个独立Sigma-Delta ADC能够同时使用。还能结合其中两个ADC组成一个输入通道，使得动态范围高达110dB。
(2)输入输出控制器(IOC)
先进的直接存储器存取(DMA)处理器定制设计用于管理音频信号移动，而不需要加载任意一个DSP内核(HEAR或CFX)。智能存取机制确保只需要最少的地址算法，简化了整体系统的编程。
(3)片上外设(On-chip Peripheral)
强大的电源管理模块能够处理多种电池或电源条件；时钟产生和管理模块提供优化的计算效率/功率比；IP保护模块防止未经授权的软件访问。定时器和其它系统监视模块用于进一步简化系统编程。
(4)HEAR可配置加速器
执行超高效率的低延迟、高保真(Hi-Fi)滤波器组和矢量处理操作。滤波能够工作在时域以及频率，可以采用统一或非统一频段设置。HEAR加速器的功能链高度可配置，具有专用软件工具。
(5)CFX DSP内核
这个完全可编程的24位双MAC DSP内核是主数字处理器，用于配置系统和协调信号数据流，包括能够实现微控制器(MCU)功能的指令集。
(6)输出段(Output Stage)
提供上采样(up-sampling)，直接驱动扬声器，为耳机和耳筒提供适宜的输出功率；采用单独的直流解耦滤波器，确保即便在最高输出功率下也能提供最低的失真。
(7)接口
支持GPIO、I2C、LSAD、PCM/I2S、UART和SPI接口，确保无缝连接至其它系统和典型人机接口(MMI)器件，如按键、电位计和发光二极管(LED)等。
图2所示的是BelaSigna® 300音频处理器在手机和免提电话中的应用示例。需要说明的是，图中的扬声器功能可以被集成为耳筒扬声器，但在大功率免提电话扬声器中仍然保持外置。
3 不同算法软件与硬件相辅相成以满足差异化需求
安森美半导体除了提供BelaSigna®系列音频处理器的硬件本身，还提供包括先进的回声消除算法、噪声消减和其它音频增强算法在内的嵌入式软件与硬件相辅相成，供设计人员选择。这些嵌入式软件涵盖安森美半导体算法，ExAudio、2Pi 、dlab、SRS Labs和Alango等第三方合作伙伴提供的算法解决方案，客户开发的算法，以及安森美半导体针对应用需求开发的定制算法等。此外，安森美半导体还提供各种开发支持，如技术支持和培训、工程和设计服务、参考设计以及评估和开发工具（如硬件参考工具、DSP开发工具和通信工具），方便应用设计。
以BelaSigna®300为例，安森美半导体提供或规划提供多种捆绑的算法软件，满足客户的差异化需求。这些捆绑软件包括：
(1) LP-AEC（采用AEC和SNE算法，用于免提电话和手机）；
(2)噪声消减（采用SNE算法，用于便携通信设备）；
(3) TX捆绑软件（采用双麦克风和AEC算法，用于手机和笔记本电脑）；
(4) RX捆绑软件（采用SNE、EQ、AAE算法，用于手机和手机附件）；
(5)“综合包”（包括RX捆绑软件和支持AEC、SNE算法的TX捆绑软件，用于手机和通信设备）。
4 总结
消费者对便携通信设备的音频质量要求越来越高，且要求电池使用时间更长。这驱使制造商和系统设计人员在便携通信设备中采用先进的低功率音频处理技术，进行更好的噪声消减和回声消除，提供更高的音频再现效果。安森美半导体的具有Hi-Fi音效的BelaSigna® 300音频处理器，采用专利的双核架构，以ASIC的功耗和尺寸提供DSP的灵活性，支持先进的噪声消减、回声消除和音频增强算法，提供极高的动态范围，占用极小的电路板空间，并且典型功耗超低，仅需1mW~10mW，非常适合于手机和无线耳机等便携通信设备应用。为了满足可能的差异化需求及方便便携系统设计人员的开发，安森美半导体更提供丰富的捆绑算法软件包、参考设计和评估与开发工具，帮助他们缩短开发时间，加快产品上市进程。
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