HD Audio Codec 音訊編解碼晶片應用開發經驗談

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使用手機、無線耳機和整合網路攝影機麥克風和網路電話(VoIP)附件的筆記型電腦等可攜式通訊設備的消費者，都要求能在嘈雜環境下不用大聲說話而能聽到對方的聲音，並且不受回音干擾。

影響音頻效果的因素眾多，如信噪比、動態範圍、失真度和瞬態響應等等，其中動態範圍是一個相當關鍵的技術指標，如果動態範圍過窄，就會使得整體的音頻表現力相當有限。在通話雜訊方面，一個典型的例子是在汽車中用手機通話時，除了用戶本身的聲音，設備還會捕獲持續及動態的背景雜訊，如風雜訊、地面雜訊或發動機雜訊等，這些雜訊可能會對通話的另一方造成嚴重干擾。
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另外，由於可攜式設備日趨小巧，麥克風和喇叭的位置愈靠愈近，手機用戶也可能會面臨自己傳送給對方的語音又被對方的麥克風傳送回來因而聽到回音的窘境。
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  m8 t) d! {- K/ c6 @# U這些影響消費者音頻體驗的因素，使得他們要求製造商和系統設計人員在可攜式通訊設備中整合包含軟、硬體在內的更先進音頻處理功能，令嘈雜環境下的語音通話即使聲音不大也可被清楚聽見，以及消除回聲等。這帶動了那些具有高保真(Hi-Fi)效果的音頻處理解決方案更受消費者青睞。
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( `4 Q3 N% a2 @; e. y# z6 H  w這些要求為設計人員帶來挑戰，因為他們通常必須在更小的外形尺寸，以及不影響功耗(電池壽命)、重量(電池大小)和成本(消費類設備尤其敏感)等設計限制下完成。
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先進的BelaSigna® 300音頻處理方案提供Hi-Fi音頻品質
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身為全球領先的高性能、高效能矽方案供應商，安森美半導體的BelaSigna®音頻處理解決方案系列，如BelaSigna®250 和BelaSigna® 300，正好為可攜式系統提供更先進的音頻處理硬體和軟體，使設計人員既可應用複雜的音頻處理技術，也不須犧牲電池使用時間或增大電池尺寸。

最新的BelaSigna® 300是尺寸僅為3.6 × 2.6 mm的24位超低功率Hi-Fi音頻處理器，它以固定功能專用積體電路(ASIC)的功耗和尺寸提供通用數位訊號處理器(DSP)的靈活性，增添的先進類比音頻輸入及24位元訊號通道可實現極佳的音頻品質，獨特的專利雙核架構實現回音消除和雜訊消減等眾多先進音頻演算法同時運行，而且功率消耗更低，適合於手機和無線耳機等可攜式通訊設備應用。圖1是BelaSigna® 300的功能模組圖，各個功能模組的簡要分析如下：

輸入段(Input Stage)：提供訊號選擇、訊號放大、防混疊(anti-alias)濾波、類比-數位轉換(ADC)和採樣率抽取功率。支援多種麥克風和線路-電平音頻輸入訊號。四個獨立Sigma-Delta ADC能夠同時使用。還能結合其中兩個ADC組成一個輸入通道，使得動態範圍高達110 dB。

* d* A! y$ m/ K5 |- z- r- P輸入輸出控制器(IOC)：先進的直接記憶體存取(DMA)處理器定製設計用於管理音頻訊號移動，而不需要載入任意一個DSP內核(HEAR或CFX)。智慧存取機制確保只需要最少的位址演算法，簡化了整體系統的編程。
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8 u7 ?9 _6 j2 _片上外設(On-chip Peripheral)：強大的電源管理模組能夠處理多種電池或電源條件；時脈產生和管理模組提供最佳的計算效率/功率比；IP保護模組防止未經授權的軟體造訪。計時器和其他系統監視模組用於進一步簡化系統編程。

2 t6 o5 W. H% f+ P- z: HHEAR可配置加速器：執行超高效率的低延遲、高保真(Hi-Fi)濾波器組和向量處理操作。濾波能夠在時域以及頻率運作，可以採用統一或非統一頻段設置。HEAR加速器的功能鏈高度可配置，具有專用軟體工具。
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CFX DSP內核：這個完全可編程的24位雙MAC DSP內核是主數位處理器，用於配置系統和協調訊號數據流程。包括能夠實現微控制器(MCU)功能的指令集。

& }; m- O1 f$ t/ b輸出段(Output Stage)：提供上採樣(up-sampling)，直接驅動揚聲器，為耳機和聽筒提供適宜的輸出功率；採用單獨的直流解耦濾波器，確保即便在最高輸出功率下也能提供最低的失真。
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介面：支援GPIO、I2C、LSAD、PCM/I2S、UART和SPI介面，確保無縫連接至其他系統和典型人機介面(MMI)元件，如按鍵、電位計和發光二極體(LED)等。

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不同演算法軟體與硬體相輔相成，滿足差異化需求
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; e; g: @4 M6 z8 l% O4 I安森美半導體除了提供BelaSigna®系列音頻處理器的硬體本身，還提供包括先進的回音消除演算法、雜訊消減和其他音頻增強演算法在內的嵌入式軟體與硬體相輔相成，供設計人員選擇。這些嵌入式軟體涵蓋安森美半導體演算法，ExAudio、2Pi 、dlab、SRS Labs和Alango等第三方合作夥伴提供的演算法解決方案，客戶開發的演算法，以及安森美半導體針對應用需求開發的定製演算法等。此外，安森美半導體還提供各種開發支援，如技術支援和培訓、工程和設計服務、參考設計以及評估和開發工具(如硬體參考工具、DSP開發工具和通訊工具)，方便應用設計。

! e5 I6 Y: F0 ~! }# F5 l, J$ [# V以BelaSigna® 300為例，安森美半導體提供或規劃多種包裝組合的演算法軟體，滿足客戶的差異化需求。這些組合軟體包括：

0 h: w6 w2 q9 N. ]* jl        LP-AEC(採用AEC和SNE演算法，用於免持聽筒和手機)
' E0 p) i  f' F7 C9 K# a8 Pl        雜訊消減(採用SNE演算法，用於可攜式通訊設備)
8 c2 q6 w' o' P% f. ?l        TX組合軟體(採用雙麥克風和AEC演算法，用於手機和筆記型電腦)
l        RX組合軟體(採用SNE、EQ、AAE演算法，用於手機和手機附件)

“綜合包”(包括RX組合軟體和支援AEC、SNE演算法的TX組合軟體，用於手機和通訊設備)

" e$ m4 p2 b% L" A! I# }總結

4 T( L& j, Y4 S, T% F9 y/ T7 e消費者對可攜式通訊設備的音頻品質要求越來越高，且要求電池使用時間更長。這使製造商和系統設計人員在可攜式通訊設備中採用先進的低功率音頻處理技術，進行更好的雜訊消減和回音消除，提供更高的音頻再現效果。安森美半導體具有Hi-Fi音效的BelaSigna® 300音頻處理器，採用專利的雙核架構，以ASIC的功耗和尺寸提供DSP的靈活性，支援先進的雜訊消減、回音消除和音頻增強演算法，提供極高的動態範圍，佔用極小的電路板空間，並且典型功耗超低，僅需1~10 mW，非常適合手機和無線耳機等可攜式通訊設備應用。為了滿足可能的差異化需求及方便可攜式系統設計人員的開發，安森美半導體更提供豐富的包裝演算法套裝軟體、參考設計和評估與開發工具，幫助他們縮短開發時間，加快產品上市進程。