目前市場(chǎng)中的手機等便攜式產(chǎn)品，對更大的聲音輸出要求越來(lái)越高。比如智能手機的喇叭可用空間變小，音頻功放被要求內建更強大的智能增益，能自動(dòng)判別何時(shí)需要把過(guò)小的聲音強化。然而，越來(lái)越多音頻效果競爭，使得系統開(kāi)發(fā)商也需要自我挑戰，認識未來(lái)的三大挑戰：
(1) 電池電壓下降問(wèn)題：輸出音量會(huì )跟著(zhù)電池電壓下降而變得小聲。
(2) 平均音量變換過(guò)大：由于數字音訊多采用24 bit Sigma-Delta，音源本身的音量會(huì )的訊息含量會(huì )比傳統模擬音源多出數倍。因而容易使喇叭受到損害。使用帶有AGC的傳統方式，可以保護喇叭，卻在看影片或聆聽(tīng)音樂(lè )時(shí)仍有平均音量，聲音過(guò)小，模糊不清，影響使用者觀(guān)感。
(3) 更高的運算量：由于第三代行動(dòng)通訊已經(jīng)是主流，網(wǎng)絡(luò )傳輸的頻寬會(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(kāi)來(lái)，特別在智能手機與AIO PC的應用中。由于應用處里器負荷Dolby/SRS算法會(huì )造成其他效能的下降，外加內建DSP的音頻編譯碼器也成為趨勢。
圖1 Rock和Drama的數字聲音信號的峰值比對
音頻芯片面臨的挑戰
在下一代的便攜產(chǎn)品市場(chǎng)里，音頻IC面臨著(zhù)更大聲的需求，即更大的功率瓦數。那么更大的功率瓦數有時(shí)候意味著(zhù)感覺(jué)起來(lái)更大聲的效果。但是瓦數變大以后，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制。
工程師的挑戰會(huì )有一些問(wèn)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？當瓦數輸出越來(lái)越大時(shí)候，如何把它限制在一個(gè)最好的點(diǎn)？第三，如果信號過(guò)大或者或小，如何能夠自動(dòng)判斷應該把增益調整到什么幅度？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(chēng)。為什么需要SmartGain？之前的音頻信號中很多峰值成分會(huì )被自動(dòng)地砍掉，不同的音樂(lè )播放模式，比如音樂(lè )、戲劇或者節目表演，它的音頻通過(guò)模擬方式播放的時(shí)候，都能夠取得一致的基準點(diǎn)，那么音量播放就不會(huì )有忽大忽小的問(wèn)題，也不會(huì )突然有太大的聲音對喇叭品質(zhì)造成傷害。這個(gè)在舊式模擬播放時(shí)是不會(huì )有問(wèn)題的，但是，在即將到來(lái)的數字播放的情況里面，音頻信號用這個(gè)播放方式卻會(huì )產(chǎn)生很大的問(wèn)題。
圖1表示了Rock和Drama的數字聲音信號播放時(shí)的情況比對。Drama比Rock有更多的峰值。數字方式能把大部分的音質(zhì)還原，也因為這樣，峰值信號的大部分成分都會(huì )被原音重現，這固然是數字播放的優(yōu)點(diǎn)，可是也會(huì )造成當兩個(gè)不同的節目播放時(shí)，彼此之間找不到可以比對的基準點(diǎn)，相關(guān)度比較差。那么兩個(gè)問(wèn)題就會(huì )出現，第一，聲音的峰值會(huì )過(guò)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)杜比的統計，在不同的情境下的音樂(lè )播放時(shí)，平均的音量有大小聲變化，可能超過(guò)喇叭的極限。這個(gè)情形可以通過(guò)SmartGain進(jìn)行解決和改善。
SmartGain分兩部分：DRC和AGC。在A(yíng)GC的部分，會(huì )自動(dòng)限制住瓦數最大值，同時(shí)又能不失真地把聲音定在某個(gè)你需要的瓦數輸出點(diǎn)，以往的AGC是由截波的方式來(lái)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(méi)有改變而是維持在恒定的值。當便攜式產(chǎn)品中播放音樂(lè )時(shí)，和一般的家庭劇院播放音樂(lè )要求不一樣。重點(diǎn)是便攜式產(chǎn)品播放的音樂(lè )時(shí)必須聽(tīng)得清楚。DRC技術(shù)可以在IC偵測到聲音過(guò)小的時(shí)候，可以自動(dòng)選擇不同的壓縮方式，把過(guò)小的聲音自動(dòng)調整成耳朵聽(tīng)得清楚的聲音，從而得到清晰的聲音。
如果沒(méi)有SmartGain，大聲的聲音就會(huì )越來(lái)越大聲直到超過(guò)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(guò)大的時(shí)候可以得到限制，又不會(huì )失真。聽(tīng)起來(lái)平均起來(lái)會(huì )比沒(méi)有SmartGain的來(lái)的清澈響亮但又不會(huì )超過(guò)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
測試應用
TI有一顆TPA2028芯片，TPA2028是一個(gè)3W單聲道的D類(lèi)放大器，是集成到AGC和DRC的一個(gè)音頻芯片。DRC可以通過(guò)I2C總線(xiàn)調整壓縮比讓響度可以提高，AGC又可以保護喇叭，也可以調整想要的輸出瓦數，AGC和DRC是由TI通過(guò)DSP精簡(jiǎn)技術(shù)精簡(jiǎn)了之后放在喇叭功放的，節省CPU計算時(shí)間。
由于內部快速增益上升的AGC機制，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和傳統的TPA2010作比對，如圖４所示�？梢钥吹近S色的區域就是一個(gè)小聲的聽(tīng)不清楚的部分，具有DRC的TPA2028D1就會(huì )聽(tīng)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(tīng)的很仔細很清楚，比如背景音樂(lè )，這點(diǎn)在便攜式產(chǎn)品里面尤為重要。在黃色區域以外，傳統的放大器已經(jīng)放大的太多，信號可能已經(jīng)非常接近臨界線(xiàn)，但是有SmartGain的TPA2028D1就控制的比較好，喇叭得到了保護。
如果需要更大的彈性度，TPA2028的I2C的總線(xiàn)提供一個(gè)模式選擇，可以選擇通過(guò)軟件界面來(lái)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(lái)達成，因此比較好的做法是將軟件音量調整到100％而純粹用喇叭的硬件IC來(lái)調整音量的大小，效果則較佳。
擴音技術(shù)
TPA2015可以讓喇叭的失真度維持在限制內，在電壓往下掉的時(shí)候也能夠維持絕對瓦數的輸出。這和SmartGain不一樣，這也是一個(gè)不錯的選擇，完全取決于設計的需要。一般來(lái)說(shuō)適用于導航機或者錄音筆。
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可以設置不同的數字濾波，達到不同的FIR或者IIR的效果，比如，可以做自適應的主動(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)格最有競爭力的方式是SmartGain，尺寸精簡(jiǎn)。從喇叭的成本上看，使用MiniDSP的技術(shù)最具競爭力，因為MiniDSP里面的數字濾波器可以補償喇叭的不足，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(lái)設置輸出瓦數，SmartGain是個(gè)好選擇。如果需要絕對音量最大，就需要使用帶擴音（booster）的芯片，即使電壓不斷下降依然能保持大的瓦數輸出，但是采用了升壓架構，器件成本會(huì )增加一些。如果需要更復雜的音效，可以使用MiniDSP，從而打造客戶(hù)獨特的技術(shù)音效。
