在2009年，全球在Feature phones（多功能手機(jī)）和Smart phones（智能手機(jī)）的出貨量將超過(guò)10億部，占所有手機(jī)出貨量的80%以上。在目前中國(guó)便攜式播放器上,Feature Phone和Smart Phone的發(fā)展也是最為迅速的。在這些便攜式播放器中，用于音樂(lè)播放的揚(yáng)聲器已經(jīng)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置了。
“想唱就唱，唱得響亮”是對(duì)便攜式播放器的要求，但手機(jī)用戶經(jīng)常會(huì)碰到這樣的情況：從網(wǎng)上下載的 自己中意的mp3歌曲，音量大小參差不齊，聽(tīng)某一首歌曲時(shí)覺(jué)得聲音較小，但音量調(diào)高后，在聽(tīng)下一首歌時(shí)有發(fā)現(xiàn)音量太大，出現(xiàn)了破音，音質(zhì)變差的情況，頻繁 的調(diào)整音量，很麻煩，很頭疼。另外，一般的手機(jī)用戶也喜歡比較大音量長(zhǎng)時(shí)間的播放音樂(lè)，但是由于輸出功率過(guò)高，揚(yáng)聲器超載，長(zhǎng)時(shí)間使用，很容易損壞揚(yáng)聲 器，造成手機(jī)返修率過(guò)高。這兩個(gè)問(wèn)題也是手機(jī)基帶設(shè)計(jì)工程師所關(guān)注的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)音頻模塊時(shí)，經(jīng)常要反復(fù)的調(diào)試音頻功放的增益，又希望音量大，又希望不出 現(xiàn)破音。有沒(méi)有更好的手段來(lái)解決這兩個(gè)問(wèn)題？有！下面重點(diǎn)介紹一種防破音Non-Clip技術(shù)，可以有效地解決手機(jī)音頻系統(tǒng)中這兩個(gè)難纏的問(wèn)題，讓基帶工程師無(wú)須耗費(fèi)太多精力，所設(shè)計(jì)的手機(jī)輕松達(dá)到“想唱就唱，唱得響亮”的目的。
為什么需要無(wú)破音（NCN）功能
在一首歌曲中，有的時(shí)段聲音大，有的時(shí)段聲音小，最大聲音到最小聲音的范圍是這首歌曲的動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic Range），一般歌曲的動(dòng)態(tài)范圍在40-60dB。下圖是一首普通mp3歌曲的波形曲線。
對(duì)不同的音樂(lè)文件，如mp3，音量大小也會(huì)有很大的差別，有的mp3音量大，有的音樂(lè)音量 小。但是手機(jī)用戶在播放音樂(lè)的時(shí)候，通常喜歡增大音量來(lái)表現(xiàn)自己的手機(jī)夠“酷”夠“炫”。但是，音量的增加其實(shí)受到了電池電壓和揚(yáng)聲器、音腔的約束，都會(huì) 有一個(gè)最大的不破音輸出幅度，超過(guò)了這個(gè)幅度就會(huì)產(chǎn)生削波失真。比如說(shuō)，當(dāng)電池充滿電時(shí)，電池電壓是4.2～4.3V，這時(shí)就可以播放出比較大的音 量，當(dāng)手機(jī)使用了一段時(shí)間，電池電壓下降到3.6V，那么能播出的最大音量也會(huì)相應(yīng)下降，如果仍然使用4.2V時(shí)的音量設(shè)置，在3.6V的時(shí)候就會(huì)破音失 真，這是電學(xué)方面的影響。另外手機(jī)中使用的揚(yáng)聲器的直徑、動(dòng)態(tài)范圍、頻響特性，音腔設(shè)計(jì)，也對(duì)最終音質(zhì)有較大的影響，即便電信號(hào)足夠大，但是聲電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié) 效率不高，也會(huì)影響最終的音量以及音色。
將上面的音樂(lè)放大，如下圖所示：為了避免削波失真，小聲音放不大，和背景噪音混在一起聽(tīng)不清楚；要聽(tīng)到小的聲音，將音量加大，大的聲音就發(fā)生削波失真，產(chǎn)生破音，而且信號(hào)削波后會(huì)產(chǎn)生大量諧波，對(duì)揚(yáng)聲器造成很大的沖擊，很容易損壞揚(yáng)聲器單元。
由上可以看出，用便攜式播放器播放音樂(lè)的時(shí)候，通過(guò)簡(jiǎn)單的音量調(diào)節(jié)很難在小聲音和大聲音之間折衷。這時(shí)就需要使用防破音Non-Clip技術(shù)，在音量增大的時(shí)候，大聲音也不會(huì)超過(guò)最大的不失真幅度。如下圖所示，上面的音樂(lè)經(jīng)過(guò)防破音Non-Clip處理后，做到了“大而不破”。
防破音Non-Clip功能的實(shí)現(xiàn)
防破音Non-Clip功能采用的是專業(yè)音響系統(tǒng)中的壓縮/限幅技術(shù)(Compression & limiting)，有門限閾值、啟動(dòng)時(shí)間和釋放時(shí)間等重要參數(shù)。
門限閾值（Threshold）：?jiǎn)?dòng)無(wú)破音（NCN）功能的閾值電壓大小，就是系統(tǒng)所允許的最大不失真輸出幅度。
啟動(dòng)時(shí)間（Attack Time）：從檢測(cè)的信號(hào)超過(guò)閾值電壓后，到壓縮功能全部展開(kāi)的時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)間很大程度上取決于被處理聲音信號(hào)的種類和希望得到的特點(diǎn)：短的啟動(dòng)時(shí)間通常 使聲音“圓潤(rùn)”，很快就可以使聲音進(jìn)入完全的壓縮狀態(tài)；長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間可以較好地反映悠長(zhǎng)、緩慢變化的信號(hào)。典型的啟動(dòng)時(shí)間范圍是1ms～100ms。
釋放時(shí)間（Release Time）：與啟動(dòng)時(shí)間相反，釋放時(shí)間是檢測(cè)信號(hào)低于閾值電壓時(shí)，壓縮功能完全釋放的時(shí)間。與啟動(dòng)時(shí)間一樣，釋放時(shí)間的選擇也取決于被處理聲音信號(hào)的種類 和希望得到的特點(diǎn)：短的釋放時(shí)間可以很好地響應(yīng)快速變化的聲音信號(hào)，比如急促的槍炮聲和尖銳短暫的報(bào)警聲；長(zhǎng)的釋放時(shí)間會(huì)使聲音平滑，柔和。典型的釋放時(shí) 間范圍是20ms～5s。
下面是不同參數(shù)設(shè)定情況下的時(shí)序特點(diǎn)：
通過(guò)上面對(duì)防破音Non-Clip功能的分析，可以看出通過(guò)使用防破音Non-Clip功能:
1. 調(diào)整了音樂(lè)的動(dòng)態(tài)范圍，使大的信號(hào)不會(huì)削波失真，小的信號(hào)可以得到充分的放大，提高了整體音樂(lè)的音量，實(shí)現(xiàn)了“大而不破”的聽(tīng)音感受。
2. 限制了聲音中的尖峰信號(hào)，保護(hù)揚(yáng)聲器不被損壞，大大減小了由于揚(yáng)聲器損壞所引起的手機(jī)返修率。
從上面可以看出，防破音Non-Clip功能對(duì)提升手機(jī)的音量、音質(zhì)非常具有誘惑力，但防破音Non-Clip功能對(duì)音響處理的專業(yè)性要求比較強(qiáng)。通過(guò)對(duì)音樂(lè)文件和揚(yáng)聲器的特點(diǎn)深入地分析，采用獨(dú)有的、防破音Non-Clip技術(shù)將合適的門限閾值，啟動(dòng)時(shí)間，釋放時(shí)間等重要參數(shù)完全設(shè)計(jì)在音頻功率放大器內(nèi)部，讓手機(jī)音頻設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)易，加快了手機(jī)的上市時(shí)間。
一直以來(lái)，便攜式播放器總是按照MP3播放器的標(biāo)準(zhǔn)要求自己，但電力續(xù)航是永遠(yuǎn)的痛。電 話，大屏，GPS，上網(wǎng)等繁多的功能已經(jīng)讓電池的續(xù)航能力頗感頭痛，而音樂(lè)播放功能更是讓電力續(xù)航捉襟見(jiàn)肘，因此高效率、低功耗的D類放大器越來(lái)越受 到歡迎。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu) Gartner的報(bào)告，Class D放大器在2006年至2011年之間的復(fù)合年成長(zhǎng)率將達(dá)15.6%，從3.34億美元成長(zhǎng)至6.88億美元。主要的成長(zhǎng)動(dòng)力來(lái)自便攜式裝置及空間受限的 消費(fèi)類電子產(chǎn)品。 |
