中心議題：
- 采用WM8994設計智能手機的十大訣竅
- 采用WM8994將大幅改善音頻性能
- 經得起未來檢驗的音頻性能
解決方案：
- WM8994采用以調制解調器為應用中心
- 音頻中心(Hub)解決方案
如今，智能手機中以應用為中心的設計已經成為主流趨勢，同時這類設計中的外設功能如各種調制解調器已經被卸載到各種獨立的芯片組中。導致這種結果的原因有許多，一部分是由于激烈的市場競爭所致，包括那種希望通過領先性能來實現差異化，還有手機制造商方面所面臨的快速上市壓力，以及與多媒體技術和無線芯片組領域里不同的技術發展思路交織在一起。
對各種應用處理器“功能驅動”的創新來說，其趨勢往往是偏離了“標準驅動”的發展道路，而偏向于無線通信芯片組的開發潮流。這些領域里所需的核心能力是有所不同的：藍牙、蜂窩或Wi-Fi芯片組需要滿足各自的規范，同時要求成本最低，而且功耗也要有競爭力；此外，為了應對競爭，應用處理器需要在其數字功能和性能上實現很大程度的差異化。日益激烈的競爭已經把單芯片解決方案提供商的能力發揮到了極限，要想在器件功能的所有方面都能夠維持其領先優勢已經是不再切合實際了。如今，成本和上市時間方面的壓力正在驅使業界開發具有更有效分工的解決方案，從長遠來看，這樣做無論是對芯片設計師還是對消費者來說都是有利的，因為這可使芯片組提供商將精力集中在他們做得最好的地方，并在系統中消除許多浪費成本的重復功能。
過去，這些外設功能通常是集成在一些應用處理器或調制解調器中，其目的是為了通過集成來增值。由于時間和成本方面的壓力，使得它們的實現方案常常不盡如人意，特別是那些需要專業技能的地方。長期以來，音頻是過度集成的受害者，音頻功能的實現不但重復而且質量較差，原因在于音頻的實現都是依賴于兩個或者更多的芯片組，再加上由系統集成商外加的一大堆“補丁”器件，由此來支持他們終端產品所需的混音、切換、爆破音和咔嗒噪音抑制以及功率放大。
歐勝微電子推出的音頻中心編碼解碼器WM8994充分利用了最新的、以應用為中心的調制解調器架構，這種架構整合了所有的混合信號音頻功能，可確保選用低成本的處理器來成功實現系統，以及保證各種數據來源的音頻信號通路特性的一致(圖1)。
圖1：WM8994采用以應用為中心的調制解調器架構。
WM8994中集成了多種的模擬和數字I/O，目的是為了驅動手機中所有類型的音頻換能器，同時還要實現與各種處理器之間的接口連接，例如用來處理藍牙收發器、FM調頻收音機、蜂窩調制解調器以及應用處理器等。如此高水平的音頻集成，在為手機帶來靈活性、一致性以及高性能等好處的同時，在設計階段只需要投入很少的規劃，即可最有效地發揮系統架構的優勢。
對于絕大多數混合信號系統，應關注時鐘方案和系統噪聲的良好控制，再加上采用好的電源、接地方案和一個低噪聲基準，這樣就能實現最優化的系統性能。不過，對于復雜的音頻系統來說，除此之外還有許多其他方面的挑戰。下面的設計技巧將告訴設計工程師如何在挑戰性極強的智能手機環境中充分發揮WM8994的優勢。
采用WM8994設計智能手機的十大訣竅
1．提前規劃音頻應用場景。對于每一種應用，首先要搞清楚究竟都有哪些芯片組會啟動，然后要搞清楚信號具體從哪里來，又要到哪里去？同時最高效的傳輸路徑是什么？在音頻流傳輸的過程中必須要考慮到一些意外的事件發生。例如，當一個特定的音頻通道激活的時候，如果發生某個事件，結果將會是什么？該通道應該是被中止？衰減？與別的某種聲音混合？或者是重新尋找其他傳輸路徑？實際上會有多少這類的小型應用會同時運行？
2．要為關鍵應用場景勾勒出音頻時鐘方案，然后也要為那些邊角應用擬出時鐘方案。從“慣例”上來看，今天的邊緣應用就可能是明日的“必備”功能。要確保各個鎖相環(FLL)、時鐘分配器和音頻接口都配置妥當，使得處理器中的存儲緩沖器不會因為非最佳配置而過滿或過空。由于WM8994中有足夠強大的時鐘可編程能力，因此能夠覆蓋絕大多數的場景；但值得考慮的問題是，FLL基準時鐘應當來自每個應用的什么地方？究竟哪一個端口應該被配置成操作主模式？通過多個時鐘輸入引腳中的一個來連接到始終喚醒的32KHz時鐘，就能夠在許多情況下實現功率節省，特別是在需要一個時鐘對GPIO輸入進行去抖動的待機模式，或者是在簡單的低功率音樂回放模式中。利用音頻接口位時鐘和幀時鐘作為FLL的基準輸入，就不再需要另外的高頻主時鐘輸入，從而實現了功率節省。
WM8994的采樣率轉換器允許該器件在兩個彼此完全獨立的時鐘域內工作，支持音頻混合和發送(路由)跨越這些時鐘邊界。由于器件的采樣率轉換器工作在兩個全雙工通道中的最大的一個上，因此，當采樣率轉換器連接到音頻接口2和/或音頻接口3上時，幾乎沒有什么限制，而音頻接口2和3通常是連接到幾乎很少需要多于一個或兩個并發通道的無線芯片組的接口。
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3．不用擔心采用D類工作模式的喇叭放大器。這種模式的放大器所節省的功耗是非常多的，所節省的功耗通常可以達到幾十甚至幾百毫瓦。隨著更多采用立體聲喇叭的手機出現在市場上，節省的功耗自然會翻倍。設想一下，如果所節省的功率預算能夠用于系統中其他的功能，對于那些對D類放大技術不太熟悉的工程師來說，數據手冊都給出了有關各方面的具體建議，包括電磁兼容(EMC)設計、如何選用喇叭、如何提高效率以及如何實現最佳的電路板設計。在早期的手機設計中，人們通常比較關注EMC；而如今，設計工程師則往往關注熱設計，因為實際上在某些案例中，熱耗散對手機性能的約束更大。于是設計工程師們開始對電源利用效率予以更多的關注。D類放大器具有更高的效率，因而減小了喇叭放大器所用電源上的電流浪涌，這種浪涌會引起電池電壓的下降以及系統更早停止工作，并縮短電池壽命，尤其是這種浪涌與系統中其他的電流浪涌一起出現時，上述問題將更加嚴重。電池壓降幅度的減小將有助于降低高信號電平上的失真，而在有的場合還將提供更大的空間來提高喇叭的最大輸出信號。
4．在可能的地方，都應該用數字連接來替代到調制解調器的模擬連接。盡管WM8994也能夠支持模擬語音數據通道，不過這種模擬方案會占用更多的系統級功耗，從而更容易遭受串擾侵害，這在很多情況下會導致PCB返工，并且會增加由信號通道上無源元器件的額外成本及電路板面積開銷(圖2)。
圖2：采用WM8994將大幅改善音頻性能。
例如，當在編解碼器與調制解調器之間利用脈沖編碼調制(PCM)鏈路來傳送一個有線耳機的語音呼叫時，如果連接到數字數據流，將會支持在耳機輸出來激活W類模式，這將使編解碼器節省功耗；同樣還通過關閉通常功耗較大的內置DAC，也能使調制解調器節省功耗。在一個聽筒呼叫或者免提模式下，利用數字連接，還允許喇叭調諧采用集成式參數均衡(EQ)，而且EQ設置的控制只需要通過一個器件(通常是應用處理器)即可實現，而非依賴于兩個或三個處理器來重復相同的調諧功能。
5．在可能的地方，應該在系統級而非在器件級考慮數字麥克風的好處。摒棄過長的模擬麥克風連線，有助于減少成本并節省空間。如今，為了降低噪音，麥克風陣列正在普遍被采用，而隨著手機麥克風數量的增加，在眾多麥克風信號通道的布線中，其中某個通道靠近噪聲源的可能性很高。盡管通過差分連接和精心布線可以改善噪聲的免疫能力，但在信號通道中對高質量電容器的需量卻高達一倍。利用數字連接將能夠改善噪聲免疫能力，為此，WM8994提供多達4個的數字麥克風通道。必須注意，為了獲取最佳性能，在采用麥克風陣列時，選用具有最佳匹配特性的麥克風是至關重要的。
6．要確保將應用處理器的串行接口連接到WM8994，這樣能夠支持所有各種音頻應用所需的最高采樣率。另外，還需檢查支持像麥克風陣列處理或多路并發音頻數字流處理這類大處理量所需的TDM通道的數量。
7．應選擇一個有效的電源管理架構。實際上WM8994只需要兩個外部電源電壓。通常，一個是直接連接到電池，而另一個則是連接到1.8V電源上。由于1.8V的電源為電荷泵供電，進而為參考電平為地電平的耳機放大器供電，因此，對于該電源，最好是采用一個高效率的開關電源調節器，例如，可以用一個低壓差線性穩壓器(LDO)供電，以確保耳機的低功耗性能不受到影響。
8．在為聽筒和有線耳機聽筒設置語音呼叫時，在可能的地方，盡可能采用數字側音特性；與模擬側音相比，該數字通道的風噪聲濾波和低延遲能夠提供更為自然的環繞側音。而在模擬側音中，包含有容易令人分心的低頻機械性分量和風噪聲分量，或者在基帶處理器中利用軟件來實現側音，這樣會引入一些延遲，導致聽起來聲音有一些變化。
9．在耳機輸出通道中請采用模擬音量控制，或者說至少在低于滿量程以下的初始幾個分貝的范圍內使用模擬音量控制。對于噪聲性能的改善來講，這樣做可能帶來額外4個分貝的收益，這對于如今的高靈敏度耳麥來說可是無價之寶。由于近年來耳機的聲學效率有了大幅提高，因而對數字模擬轉換器(DAC)的信噪比性能和耳機放大器的噪聲性能方面的要求更加苛刻了；如果DAC中的信噪比性能不足的話，在使用耳麥時就會導致發出可聽見的音調或者“嘶嘶”聲。如果采用模擬音量控制的話，WM8994能夠為負載提供高達100dB的信噪比，這將使得耳機上的噪聲額外降低4dB。典型情況下，比起市場上的許多編解碼器，該方案所提供的噪聲性能改善可以高達10dB。對于用戶來說，通過這個改善可以明顯地感受到的區別就是能夠直接聽到噪聲與根本聽不見噪聲的巨大差別。
10．需要仔細地為耳機輸出選擇串聯電阻器。在許多國家，對于耳機的最大輸出功率都有明確的法規，目的是為了避免損壞聽力，故設計工程師在選擇電阻值時必須要牢記這一點。該電阻值應該小到使得線負載(例如Hi-Fi輸入)處的輸出電壓衰減在滿量程時還能夠支持1Vrms的電壓，這是人們通常所期望的；另一方面，該電阻值還必須足夠大，以便對于較小的負載，經過適度的衰減，還能夠滿足那些國家有關耳機功率方面的法規要求。對于WM8994而言，由于其輸出功率額定值較高，因此，即便是選用了阻值比較大的串聯電阻，其耳機輸出還能夠以非常低的失真水平來驅動耳機。1Vrms的輸出即使在總負載因需求低至32Ω時仍能夠實現。
經得起未來檢驗的音頻性能
近年來發展起來的音頻中心(Hub)解決方案，通過將所有所需的音頻功能集整合到一個單芯片上，能夠方便地將高性能應用處理器和更具成本效益的調制解調器的系統集成在一起。該解決方案消除了系統中的重復，將元器件的相互依賴降到了最小程度，并為未來產品的研發提供了一個穩定的平臺。
基于WM8994上豐富的信號通道以及可用的混合功能，在不需要繁重的軟件開發工作的前提下，為未來各種新的音頻應用提供了一個簡單的解決方案。該器件支持眾多的數字和模擬通道，這將使手機設計工程師可以在不需要為系統增添新的音頻元器件的條件下，去實現進一步的設計創新。如果能夠遵從上述有益的系統設計基本準則，就完全有可能在范圍極廣的各種應用中實現優異的音頻性能。
