基于WM8994设计智能手机的诀窍

如今，智能手机中以应用为中心的设计已经成为主流趋势，同时这类设计中的外设功能如各种调制解调器已经被卸载到各种独立的芯片组中。导致这种结果的原因有许多，一部分是由于激烈的市场竞争所致，包括那种希望通过领先性能来实现差异化，还有手机制造商方面所面临的快速上市压力，以及与多媒体技术和无线芯片组领域里不同的技术发展思路交织在一起。

　　对各种应用处理器“功能驱动”的创新来说，其趋势往往是偏离了“标准驱动”的发展道路，而偏向于无线通信芯片组的开发潮流。这些领域里所需的核心能力是有所不同的：蓝牙、蜂窝或Wi-Fi芯片组需要满足各自的规范，同时要求成本最低，而且功耗也要有竞争力;此外，为了应对竞争，应用处理器需要在其数字功能和性能上实现很大程度的差异化。日益激烈的竞争已经把单芯片解决方案提供商的能力发挥到了极限，要想在器件功能的所有方面都能够维持其领先优势已经是不再切合实际了。如今，成本和上市时间方面的压力正在驱使业界开发具有更有效分工的解决方案，从长远来看，这样做无论是对芯片设计师还是对消费者来说都是有利的，因为这可使芯片组提供商将精力集中在他们做得最好的地方，并在系统中消除许多浪费成本的重复功能。

　　过去，这些外设功能通常是集成在一些应用处理器或调制解调器中，其目的是为了通过集成来增值。由于时间和成本方面的压力，使得它们的实现方案常常不尽如人意，特别是那些需要专业技能的地方。长期以来，音频是过度集成的受害者，音频功能的实现不但重复而且质量较差，原因在于音频的实现都是依赖于两个或者更多的芯片组，再加上由系统集成商外加的一大堆“补丁”器件，由此来支持他们终端产品所需的混音、切换、爆破音和咔嗒噪音抑制以及功率放大。

　　欧胜微电子推出的音频中心编码解码器WM8994充分利用了最新的、以应用为中心的调制解调器架构，这种架构整合了所有的混合信号音频功能，可确保选用低成本的处理器来成功实现系统，以及保证各种数据来源的音频信号通路特性的一致(图1)。

　　

　　图1：WM8994采用以应用为中心的调制解调器架构。

　　WM8994中集成了多种的模拟和数字I/O，目的是为了驱动手机中所有类型的音频换能器，同时还要实现与各种处理器之间的接口连接，例如用来处理蓝牙收发器、FM调频收音机、蜂窝调制解调器以及应用处理器等。如此高水平的音频集成，在为手机带来灵活性、一致性以及高性能等好处的同时，在设计阶段只需要投入很少的规划，即可最有效地发挥系统架构的优势。

　　对于绝大多数混合信号系统，应关注时钟方案和系统噪声的良好控制，再加上采用好的电源、接地方案和一个低噪声基准，这样就能实现最优化的系统性能。不过，对于复杂的音频系统来说，除此之外还有许多其他方面的挑战。下面的设计技巧将告诉设计工程师如何在挑战性极强的智能手机环境中充分发挥WM8994的优势。

　　采用WM8994设计智能手机的十大诀窍

　　1.提前规划音频应用场景。对于每一种应用，首先要搞清楚究竟都有哪些芯片组会启动，然后要搞清楚信号具体从哪里来，又要到哪里去?同时最高效的传输路径是什么?在音频流传输的过程中必须要考虑到一些意外的事件发生。例如，当一个特定的音频通道激活的时候，如果发生某个事件，结果将会是什么?该通道应该是被中止?衰减?与别的某种声音混合?或者是重新寻找其他传输路径?实际上会有多少这类的小型应用会同时运行?

　　2.要为关键应用场景勾勒出音频时钟方案，然后也要为那些边角应用拟出时钟方案。从“惯例”上来看，今天的边缘应用就可能是明日的“必备”功能。要确保各个锁相环(FLL)、时钟分配器和音频接口都配置妥当，使得处理器中的存储缓冲器不会因为非最佳配置而过满或过空。由于WM8994中有足够强大的时钟可编程能力，因此能够覆盖绝大多数的场景;但值得考虑的问题是，FLL基准时钟应当来自每个应用的什么地方?究竟哪一个端口应该被配置成操作主模式?通过多个时钟输入引脚中的一个来连接到始终唤醒的32KHz时钟，就能够在许多情况下实现功率节省，特别是在需要一个时钟对GPIO输入进行去抖动的待机模式，或者是在简单的低功率音乐回放模式中。利用音频接口位时钟和帧时钟作为FLL的基准输入，就不再需要另外的高频主时钟输入，从而实现了功率节省。

　　WM8994的采样率转换器允许该器件在两个彼此完全独立的时钟域内工作，支持音频混合和发送(路由)跨越这些时钟边界。由于器件的采样率转换器工作在两个全双工通道中的最大的一个上，因此，当采样率转换器连接到音频接口2和/或音频接口3上时，几乎没有什么限制，而音频接口2和3通常是连接到几乎很少需要多于一个或两个并发通道的无线芯片组的接口。

　　3.不用担心采用D类工作模式的喇叭放大器。这种模式的放大器所节省的功耗是非常多的，所节省的功耗通常可以达到几十甚至几百毫瓦。随着更多采用立体声喇叭的手机出现在市场上，节省的功耗自然会翻倍。设想一下，如果所节省的功率预算能够用于系统中其他的功能，对于那些对D类放大技术不太熟悉的工程师来说，数据手册都给出了有关各方面的具体建议，包括电磁兼容(EMC)设计、如何选用喇叭、如何提高效率以及如何实现最佳的电路板设计。在早期的手机设计中，人们通常比较关注EMC;而如今，设计工程师则往往关注热设计，因为实际上在某些案例中，热耗散对手机性能的约束更大。于是设计工程师们开始对电源利用效率予以更多的关注。D类放大器具有更高的效率，因而减小了喇叭放大器所用电源上的电流浪涌，这种浪涌会引起电池电压的下降以及系统更早停止工作，并缩短电池寿命，尤其是这种浪涌与系统中其他的电流浪涌一起出现时，上述问题将更加严重。电池压降幅度的减小将有助于降低高信号电平上的失真，而在有的场合还将提供更大的空间来提高喇叭的最大输出信号。

　　4.在可能的地方，都应该用数字连接来替代到调制解调器的模拟连接。尽管WM8994也能够支持模拟语音数据通道，不过这种模拟方案会占用更多的系统级功耗，从而更容易遭受串扰侵害，这在很多情况下会导致PCB返工，并且会增加由信号通道上无源元器件的额外成本及电路板面积开销(图2)。

　　

　　图2：采用WM8994将大幅改善音频性能。

　　例如，当在编解码器与调制解调器之间利用脉冲编码调制(PCM)链路来传送一个有线耳机的语音呼叫时，如果连接到数字数据流，将会支持在耳机输出来激活W类模式，这将使编解码器节省功耗;同样还通过关闭通常功耗较大的内置DAC，也能使调制解调器节省功耗。在一个听筒呼叫或者免提模式下，利用数字连接，还允许喇叭调谐采用集成式参数均衡(EQ)，而且EQ设置的控制只需要通过一个器件(通常是应用处理器)即可实现，而非依赖于两个或三个处理器来重复相同的调谐功能。

　　5.在可能的地方，应该在系统级而非在器件级考虑数字麦克风的好处。摒弃过长的模拟麦克风连线，有助于减少成本并节省空间。如今，为了降低噪音，麦克风阵列正在普遍被采用，而随着手机麦克风数量的增加，在众多麦克风信号通道的布线中，其中某个通道靠近噪声源的可能性很高。尽管通过差分连接和精心布线可以改善噪声的免疫能力，但在信号通道中对高质量电容器的需量却高达一倍。利用数字连接将能够改善噪声免疫能力，为此，WM8994提供多达4个的数字麦克风通道。必须注意，为了获取最佳性能，在采用麦克风阵列时，选用具有最佳匹配特性的麦克风是至关重要的。

　　6.要确保将应用处理器的串行接口连接到WM8994，这样能够支持所有各种音频应用所需的最高采样率。另外，还需检查支持像麦克风阵列处理或多路并发音频数字流处理这类大处理量所需的TDM通道的数量。

　　7.应选择一个有效的电源管理架构。实际上WM8994只需要两个外部电源电压。通常，一个是直接连接到电池，而另一个则是连接到1.8V电源上。由于1.8V的电源为电荷泵供电，进而为参考电平为地电平的耳机放大器供电，因此，对于该电源，最好是采用一个高效率的开关电源调节器，例如，可以用一个低压差线性稳压器(LDO)供电，以确保耳机的低功耗性能不受到影响。

　　8.在为听筒和有线耳机听筒设置语音呼叫时，在可能的地方，尽可能采用数字侧音特性;与模拟侧音相比，该数字通道的风噪声滤波和低延迟能够提供更为自然的环绕侧音。而在模拟侧音中，包含有容易令人分心的低频机械性分量和风噪声分量，或者在基带处理器中利用软件来实现侧音，这样会引入一些延迟，导致听起来声音有一些变化。

　　9.在耳机输出通道中请采用模拟音量控制，或者说至少在低于满量程以下的初始几个分贝的范围内使用模拟音量控制。对于噪声性能的改善来讲，这样做可能带来额外4个分贝的收益，这对于如今的高灵敏度耳麦来说可是无价之宝。由于近年来耳机的声学效率有了大幅提高，因而对数字模拟转换器(DAC)的信噪比性能和耳机放大器的噪声性能方面的要求更加苛刻了;如果DAC中的信噪比性能不足的话，在使用耳麦时就会导致发出可听见的音调或者“嘶嘶”声。如果采用模拟音量控制的话，WM8994能够为负载提供高达100dB的信噪比，这将使得耳机上的噪声额外降低4dB。典型情况下，比起市场上的许多编解码器，该方案所提供的噪声性能改善可以高达10dB。对于用户来说，通过这个改善可以明显地感受到的区别就是能够直接听到噪声与根本听不见噪声的巨大差别。

　　10.需要仔细地为耳机输出选择串联电阻器。在许多国家，对于耳机的最大输出功率都有明确的法规，目的是为了避免损坏听力，故设计工程师在选择电阻值时必须要牢记这一点。该电阻值应该小到使得线负载(例如Hi-Fi输入)处的输出电压衰减在满量程时还能够支持1Vrms的电压，这是人们通常所期望的;另一方面，该电阻值还必须足够大，以便对于较小的负载，经过适度的衰减，还能够满足那些国家有关耳机功率方面的法规要求。对于WM8994而言，由于其输出功率额定值较高，因此，即便是选用了阻值比较大的串联电阻，其耳机输出还能够以非常低的失真水平来驱动耳机。1Vrms的输出即使在总负载因需求低至32Ω时仍能够实现。

　　经得起未来检验的音频性能

　　近年来发展起来的音频中心(Hub)解决方案，通过将所有所需的音频功能集整合到一个单芯片上，能够方便地将高性能应用处理器和更具成本效益的调制解调器的系统集成在一起。该解决方案消除了系统中的重复，将元器件的相互依赖降到了最小程度，并为未来产品的研发提供了一个稳定的平台。

　　基于WM8994上丰富的信号通道以及可用的混合功能，在不需要繁重的软件开发工作的前提下，为未来各种新的音频应用提供了一个简单的解决方案。该器件支持众多的数字和模拟通道，这将使手机设计工程师可以在不需要为系统增添新的音频元器件的条件下，去实现进一步的设计创新。如果能够遵从上述有益的系统设计基本准则，就完全有可能在范围极广的各种应用中实现优异的音频性能。