设计面向高清电视的全数字音频系统

关键词： 高清电视 , 全数字 , 音频系统

随着数字录音和传输的出现，将数字信号源与数字处理直接结合起来提供端到端数字音频系统的想法看起来即将实现。端到端数字音频确保数字音频源—无论是CD、 DVD或 HDTV—“原汁原味”地还原其录制或发送时的高分辨率。此外，它使得音频和视频可以成为很多消费产品的一种功能，而不仅仅是一种单功能的产品。最显著的实例是蜂窝电话上的音频播放器、在电视机顶盒中的录像硬盘，以及甚至是电脑上的音频/视频播放功能。随着音频/视频系统集成的增加和成本的降低，这仅仅是数字化生活爆发的开始。

消费者已经热烈的拥抱了数字化生活方式。在不久之前，TiVo和MP3播放器以及高清电视在技术上非常新颖。现在，数字视频录像机(DVR)和iPod以及平板电视是一类很酷的产品，正在形成今天的流行文化。消费者开始重视数字化生活带来的方便性和酷的感觉，即使是按照传统的产品质量尺度来看存在一些折衷，如音频的保真度。当然消费者依然重视保真度，他们依然偏好于声音效果更好的产品，但音频保真度较低并不会妨碍他们接受这种数字生活方式。技术必须弥合这种差距。  

系统架构的数字化  

消费产品的系统架构越来越多地得到数字化，受到数字连接功能的爆炸性需求推动。在数字信号处理以及像MPEG解码和视频缩放这样的复杂功能算法的处理器技术进步下，新产品类别，如数字高清电视(图1)的实现变成现实。像过去使用模拟技术来实现的滤波、解调制功能现在都以数字方式实现，成本和功耗更低，性能更高。如图2所示，在系统架构中数字所涉及的区域不断地扩展，将越来越接近现实世界的边界，并涵盖越来越多的系统功能。  

数字系统级芯片( SoC)集成已经成为系统架构数字化的主要关键技术，并推动性价比的急剧增加。按照摩尔定律，工艺尺寸从0.25微米下降到0.18微米，再到0.13微米，现在已经低于100纳米。存储器和混合信号电路的工艺创新以及 DSP/ RISC处理器架构的发展，都使得可以在更低的成本和更小的硅片上集成更多的功能。像 Broadcom和 Marve这些新公司的建立都是利用这种强大的产业趋势，使得非常复杂的系统架构现在可以在单个SoC上实现。

图1：目前的数字平板电视系统架构

图2：未来的数字平板电视系统结构  

系统接口芯片Tornado  

尽管数字SoC集成对消费电子产品带来了巨大影响，但是事实依然是我们基本上还生活在一个模拟的世界，这些大规模的数字SoC必须与这个模拟世界进行对接。这种系统接口包括三个主要的功能，这些功能利用了混合信号和功率模拟技术：系统支撑、通信接口和消费者界面。  

系统支撑功能主要是外部电源与越来越复杂的系统电源管理之间的接口。通信接口将数字 SoC与数据通信网络相连接，如以太网、 Wi-Fi、 蓝牙、 USB和蜂窝网络。消费者界面实现用户与数字世界之间的衔接，包括像显示驱动器、麦克风输入、音频/视频线入/出，以及到喇叭的音频放大器输出。  

尽管SoC性价比学习曲线(图3)在过去十年中非常地陡，但系统接口功能仅获得有限的改善。直到最近，这依然保持常态，因为数字SoC功能代表了主要的系统成本以及改善机会。然而，这种情况已经发生了改变。系统接口功能的成本占了IC成本的很大比例，产生了投资的黄金机会，加快了性价比学习曲线。

图3：SoC SIC价格-性能学习曲线和系统集成架构。  

今天，三个产业因素汇合在一起围绕着系统接口功能上产生了一个“完美风暴”，这类似于过去SoC所曾经历的那样。首先，市场受到消费者对数字生活方式的需求推动，在产生、存储、发送和处理数字内容上的技术进步也促进了市场的发展。其次，如高压(HV) CMOS这样的关键半导体工艺技术已经步入实用，这也推动了低成本地集成系统接口功能(需要电源模拟电路)所必须要求的规模经济。第三，出现了可以用于功率模拟功能的创新架构技术，例如电源管理和音频放大。随着 SoC集成趋势，这三股力量相互加强，形成了系统接口芯片( SIC)集成的强大支持力量。   

音频是消费电子产品的关键

便携性和可用性是推出当前消费者期望的产品的成功关键因素(以iPod为见证)，实现这些产品特性的关键技术是针对便携性的电源管理SIC和针对可用性的音频SIC。音频是当前消费电子产品中普遍存在的关键部分。事实上，很难以想象在哪个产品中—从平板电视到蜂窝电话、膝上型电脑、个人媒体播放器到录像机甚至到数字像机—不具有或者将来也不会具有这样或那样的音频功能。因而，音频是SIC集成的一个自然的关键推动因素。  

不仅仅是单纯出现音频、音频质量—或者更准确地说—音频的保真度，对于最终产品被消费者所感知的质量来说是非常重要的。人对声音体验的处理既是有意识的，也是潜意识地形成一种感觉并做出评判。音频总是处于前面和中间，需要能够听出是按钮按下的声音、旋钮旋转的声音，或者是音轨的清晰、温暖和细节体验。

即使是在评估高清晰平板电视的图像质量时，如果配之以较高保真度的音响效果，消费者都会对图像做出更高的评价。系统设计工程师需要特别注意他们在消费电子产品中设计的音频的保真度，选择在不损害音频保真度的情况下能满足系统对功耗、接口兼容性、外形尺寸、一致性以及成本要求的技术。  

数字放大器——音频SIC的关键  

设计真正高保真音频器件是非常棘手的事。很多可以明了和难以明了的因素共同影响体验到的音频保真度。对于好的音频质量，尽管像总谐波失真( THD)和信噪比(SNR)这些可测试的衡量标准是必要的，但是它们通常并不能得出整个情况。以高清电视采用音频放大器为例，两个放大器都具有0.1"0.2%的THD以及105dB的SNR相近的性能，但是仍然可以得到非常不一样的声音体验，这种体验取决于失真的特性和噪声，并取决于放大器能多大程度上真实地再现非常小的音频信号。例如，一个能再现满幅度信号下100dB的信号放大器与一个只有85dBFS的放大器相比，声音体验非常柔和、清晰、清脆。因此，尽管测试规格很重要，音频放大器设计的艺术取决于多个设计因素的平衡以及“金耳朵”专家非常细致的主观判断。  

音频保真度最终要依靠喇叭和功率放大器来实现，这些是音频信号链路的最后功能，在这里电子信号被转换成可以听见的声音信号。不同领域之间的转换总是很棘手，在这里也不利外。在当前使用数字SoC的系统架构中，需要采用放大器来将数字音频的比特转换成功率模拟信号，这个信号可以驱动低阻抗喇叭音圈，从而产生我们耳朵能听到的声波。事实上，要低成本地实现这种功能—符合总体系统要求且不需要牺牲声音的保真度—是很困难的，但也是必要的。  

尽管最初采用传统的A/B类模拟放大器与音频数模转换器(DAC)组合就是为实现这个任务，但是这种解决方案不能满足当前数字系统架构要求的功效和集成能力。D类放大器最初是受到平板电视的热敏感因素推动，现在因为其优越的功效而得到很多数字音频系统的采纳，其效率达90%，而A/B类放大器只有50%。当前以音频为主的消费电子产品的关键挑战在于：采用D类功率级以及数字信号接口以开发出高保真的放大器技术。  

很明显，数字音频放大器技术是音频系统SIC集成的关键。音频在当前的消费电子产品中广泛存在，对于感受产品质量来说是最重要的。数字化的生活方式推动了对具备独特数字音频放大器属性的新产品要求，系统架构的数字化推动数字接口更接近于现实生活的边界。半导体经济正在推动SIC集成以包含所有的功能；在这种追求中，集成数字音频放大器是最为关键的挑战。可以说，在消费产品中，数字放大器技术相对于模拟SIC的集成是绝对必要的，正如视频和图像处理技术相对于数字SoC的是绝对必要一样。  

HDTV的数字放大器考虑  

在考虑数字消费电子设计，如高清晰平板电视时，发展出了三种都使用脉宽调制(PWM)D类输出级的数字放大器架构：1. 模拟 PWM加DAC；2. 增量累加PWM；3. 分段(Sub-ranging)PWM。图4展示了在高清晰平板电视中使用的几种数字放大器架构的几种关键产品属性比较。  

图4：各类数字放大器性能比较一览表

传统模拟PWM D类放大器需要模拟输入，依赖于一个DAC实现与来自SoC的数字信号进行接口。如果DAC集成在SoC中，在把这些敏感的模拟信号在电路板上进行布线时，要特别注意规避干扰敏感性以及防止信号变坏。尽管因为模拟PWM放大器的低成本使得其成为平板电视的普遍选择，音频保真度性能居于中等，因为在具有单级开关电压的开关大功率MOSFET中存在局限性，并被限制为大约13比特(80dB)。  

最近，引入了数字放大器设计，使用分段PWM或增量累加PWM来驱动D类放大器输出级。数字输入接口通常使用一个来自处理器SoC的标准3线I2S数字总线，电路板设计顾虑得到缓解，对干扰的免疫能力得到提高。设计工程师通过消除互连长度以及布局接近数字SoC的要求，而获得更大的灵活性和自由度。  

尽管通常比模拟PWM放大器更贵，增量累加PWM放大器通过使用集成反馈环路和噪声整形信号处理来抑制带内量化误差以及对输出信号进行线性化；这样确实能提供更优的音频保真度，大约为15比特(90dB)。然而，常见的批评是声音体验有点刺耳并且音色不正。   

另外一个设计考虑涉及抑制从放大器输出引入的电磁干扰(EMI)。数字放大器的输出信号是采样数据，按照离散的时间间隔改变电平，这个间隔时间由脉冲重复频率(PRF)定义，它产生的谐波是主要的EMI源。增量累加调制器采用更高的PRF来获得改善的音频性能，因此需要特别注意EMI的抑制。 　

分段PWM数字放大器通过避免因为半导体技术导致的非线性，可以获得超过17比特(＞102dB)的精度以及保真度。通过使用双电平数字-脉宽转换方案，这种放大器能如实地再现甚至最小的音频信号，提供一个柔和的、清晰的声音体验。与增量累加调制不同的是，分段调制带来的性能改善并不直接与PRF相关，而是与有效地从保真度目标消除EMI耦合有关。更重要的是，分段PWM放大器成本低，可修正以跟其它音频系统接口功能集成。  

本文小结  

数字生活方式的爆发性发展现在推动了音频/视频系统的集成，架构的数字化推动消费电子产品系统成本的降低。尽管在过去10年来非常陡峭的价格-性能学习曲线归因于数字系统级芯片集成，现在系统接口功能展示了投资的黄金机会，并加快性价比学习曲线。因为音频作为一个核心的部分广泛存在于消费电子产品中，因此，很自然地，对于在终端产品品质上非常重要的音频保真度而言，系统接口芯片与放大器的集成非常关键。当前的系统设计工程师在音频数字功率放大器上采用新的选择来弥合技术差距，实现不降低音频保真度的数字生活方式。