目前市場(chǎng)中的手機(jī)等便攜式產(chǎn)品，對(duì)更大的聲音輸出要求越來越高。比如智能手機(jī)的喇叭可用空間變小，音頻功放被要求內(nèi)建更強(qiáng)大的智能增益，能自動(dòng)判別何時(shí)需要把過小的聲音強(qiáng)化。然而，越來越多音頻效果競(jìng)爭(zhēng)，使得系統(tǒng)開發(fā)商也需要自我挑戰(zhàn)，認(rèn)識(shí)未來的三大挑戰(zhàn)：
(1) 電池電壓下降問題：輸出音量會(huì)跟著電池電壓下降而變得小聲。
(2) 平均音量變換過大：由于數(shù)字音訊多采用24 bit Sigma-Delta，音源本身的音量會(huì)的訊息含量會(huì)比傳統(tǒng)模擬音源多出數(shù)倍。因而容易使喇叭受到損害。使用帶有AGC的傳統(tǒng)方式，可以保護(hù)喇叭，卻在看影片或聆聽音樂時(shí)仍有平均音量，聲音過小，模糊不清，影響使用者觀感。
(3) 更高的運(yùn)算量：由于第三代行動(dòng)通訊已經(jīng)是主流，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)念l寬會(huì)漸漸邁向第四代通訊，因而更高的信息傳輸量，也使得Dolby或SRS的高質(zhì)量音音效漸漸蔓延開來，特別在智能手機(jī)與AIO PC的應(yīng)用中。由于應(yīng)用處里器負(fù)荷Dolby/SRS算法會(huì)造成其他效能的下降，外加內(nèi)建DSP的音頻編譯碼器也成為趨勢(shì)。
圖1 Rock和Drama的數(shù)字聲音信號(hào)的峰值比對(duì)
音頻芯片面臨的挑戰(zhàn)
在下一代的便攜產(chǎn)品市場(chǎng)里，音頻IC面臨著更大聲的需求，即更大的功率瓦數(shù)。那么更大的功率瓦數(shù)有時(shí)候意味著感覺起來更大聲的效果。但是瓦數(shù)變大以后，喇叭依舊是那么小，所以在IC中，我們必須考慮防止失真和喇叭可能燒掉的機(jī)制。
工程師的挑戰(zhàn)會(huì)有一些問題，比如，第一，提供一個(gè)比較大的音量時(shí)，電池的電量卻在慢慢減少，如何維持恒定？當(dāng)瓦數(shù)輸出越來越大時(shí)候，如何把它限制在一個(gè)最好的點(diǎn)？第三，如果信號(hào)過大或者或小，如何能夠自動(dòng)判斷應(yīng)該把增益調(diào)整到什么幅度？第四，如果響度需要一個(gè)好的信噪比如何自動(dòng)最佳化這個(gè)效果？最后，在音效和應(yīng)用處理器間找到一個(gè)好的平衡？
SmartGain技術(shù)
SmartGain
SmartGain （智能增益）是AGC/DRC（聲音輸出限制/動(dòng)態(tài)范圍壓縮）的簡(jiǎn)稱。為什么需要SmartGain？之前的音頻信號(hào)中很多峰值成分會(huì)被自動(dòng)地砍掉，不同的音樂播放模式，比如音樂、戲劇或者節(jié)目表演，它的音頻通過模擬方式播放的時(shí)候，都能夠取得一致的基準(zhǔn)點(diǎn)，那么音量播放就不會(huì)有忽大忽小的問題，也不會(huì)突然有太大的聲音對(duì)喇叭品質(zhì)造成傷害。這個(gè)在舊式模擬播放時(shí)是不會(huì)有問題的，但是，在即將到來的數(shù)字播放的情況里面，音頻信號(hào)用這個(gè)播放方式卻會(huì)產(chǎn)生很大的問題。
圖1表示了Rock和Drama的數(shù)字聲音信號(hào)播放時(shí)的情況比對(duì)。Drama比Rock有更多的峰值。數(shù)字方式能把大部分的音質(zhì)還原，也因?yàn)檫@樣，峰值信號(hào)的大部分成分都會(huì)被原音重現(xiàn)，這固然是數(shù)字播放的優(yōu)點(diǎn)，可是也會(huì)造成當(dāng)兩個(gè)不同的節(jié)目播放時(shí)，彼此之間找不到可以比對(duì)的基準(zhǔn)點(diǎn)，相關(guān)度比較差。那么兩個(gè)問題就會(huì)出現(xiàn)，第一，聲音的峰值會(huì)過大損害喇叭；第二，平均的音量忽大忽小，大小聲效果很惱人。
圖2表示了一個(gè)杜比的統(tǒng)計(jì)，在不同的情境下的音樂播放時(shí)，平均的音量有大小聲變化，可能超過喇叭的極限。這個(gè)情形可以通過SmartGain進(jìn)行解決和改善。
SmartGain分兩部分：DRC和AGC。在AGC的部分，會(huì)自動(dòng)限制住瓦數(shù)最大值，同時(shí)又能不失真地把聲音定在某個(gè)你需要的瓦數(shù)輸出點(diǎn)，以往的AGC是由截波的方式來限制聲音的播放。DRC在聲音小的時(shí)候起到作用，目的是要提高小聲時(shí)聲音的響度。在便攜式產(chǎn)品里，喇叭的尺寸變小，聲音也會(huì)變小，人的耳朵靈敏度卻沒有改變而是維持在恒定的值。當(dāng)便攜式產(chǎn)品中播放音樂時(shí)，和一般的家庭劇院播放音樂要求不一樣。重點(diǎn)是便攜式產(chǎn)品播放的音樂時(shí)必須聽得清楚。DRC技術(shù)可以在IC偵測(cè)到聲音過小的時(shí)候，可以自動(dòng)選擇不同的壓縮方式，把過小的聲音自動(dòng)調(diào)整成耳朵聽得清楚的聲音，從而得到清晰的聲音。
如果沒有SmartGain，大聲的聲音就會(huì)越來越大聲直到超過極限。圖3為具有SmartGain的聲音效果處理。
在前半段小聲的時(shí)候，DRC起到了自動(dòng)增加聲音得到清晰的效果，在后半段大聲的時(shí)候，在聲音過大的時(shí)候可以得到限制，又不會(huì)失真。聽起來平均起來會(huì)比沒有SmartGain的來的清澈響亮但又不會(huì)超過喇叭的最大功率。這就是SmartGain的好處。
圖2 不同情形下各種聲音的大小聲變化
圖3 具有SmartGain的聲音效果處理
測(cè)試應(yīng)用
TI有一顆TPA2028芯片，TPA2028是一個(gè)3W單聲道的D類放大器，是集成到AGC和DRC的一個(gè)音頻芯片。DRC可以通過I2C總線調(diào)整壓縮比讓響度可以提高，AGC又可以保護(hù)喇叭，也可以調(diào)整想要的輸出瓦數(shù)，AGC和DRC是由TI通過DSP精簡(jiǎn)技術(shù)精簡(jiǎn)了之后放在喇叭功放的，節(jié)省CPU計(jì)算時(shí)間。
由于內(nèi)部快速增益上升的AGC機(jī)制，效果很快可以得到。TPA2028采用2.2 mm×2.2 mm尺寸的WCSP封裝，并配套相關(guān)軟件工具。
使用TPA2028D1和傳統(tǒng)的TPA2010作比對(duì)，如圖４所示�？梢钥吹近S色的區(qū)域就是一個(gè)小聲的聽不清楚的部分，具有DRC的TPA2028D1就會(huì)聽得清楚。把音量低的部分比音量高的部分放大的更大一點(diǎn)，就會(huì)聽的很仔細(xì)很清楚，比如背景音樂，這點(diǎn)在便攜式產(chǎn)品里面尤為重要。在黃色區(qū)域以外，傳統(tǒng)的放大器已經(jīng)放大的太多，信號(hào)可能已經(jīng)非常接近臨界線，但是有SmartGain的TPA2028D1就控制的比較好，喇叭得到了保護(hù)。
如果需要更大的彈性度，TPA2028的I2C的總線提供一個(gè)模式選擇，可以選擇通過軟件界面來進(jìn)行控制。軟件的控制在音質(zhì)、音效、動(dòng)態(tài)范圍的減損等方面來達(dá)成，因此比較好的做法是將軟件音量調(diào)整到100％而純粹用喇叭的硬件IC來調(diào)整音量的大小，效果則較佳。
擴(kuò)音技術(shù)
TPA2015可以讓喇叭的失真度維持在限制內(nèi)，在電壓往下掉的時(shí)候也能夠維持絕對(duì)瓦數(shù)的輸出。這和SmartGain不一樣，這也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，完全取決于設(shè)計(jì)的需要。一般來說適用于導(dǎo)航機(jī)或者錄音筆。
MiniDSP技術(shù)
MiniDSP是一個(gè)獲得更好的聲音和更大聲音的另外一種方法。MiniDSP可以設(shè)置不同的數(shù)字濾波，達(dá)到不同的FIR或者IIR的效果，比如，可以做自適應(yīng)的主動(dòng)降噪、回音消除、頻譜分析或者音效處理等。
圖4 具有SmartGain的聲音效果處理
三種不同的技術(shù)選擇重點(diǎn)
從IC成本上分析，價(jià)格最有競(jìng)爭(zhēng)力的方式是SmartGain，尺寸精簡(jiǎn)。從喇叭的成本上看，使用MiniDSP的技術(shù)最具競(jìng)爭(zhēng)力，因?yàn)镸iniDSP里面的數(shù)字濾波器可以補(bǔ)償喇叭的不足，提高音質(zhì)和音量。
如果需要有SmartGain的DRC增加平均功耗，又需要AGC來設(shè)置輸出瓦數(shù)，SmartGain是個(gè)好選擇。如果需要絕對(duì)音量最大，就需要使用帶擴(kuò)音（booster）的芯片，即使電壓不斷下降依然能保持大的瓦數(shù)輸出，但是采用了升壓架構(gòu)，器件成本會(huì)增加一些。如果需要更復(fù)雜的音效，可以使用MiniDSP，從而打造客戶獨(dú)特的技術(shù)音效。
