對多功能手機、智慧型手機、個人數位助理(PDA)和許多與行動電話概念相似的可攜式電子裝置而言，功能整合雖然可以減少消費者攜帶的裝置數量並擴大音訊系統的需求，但也增加了設計人員解決複雜音訊問題的負擔。
隨著客戶對音訊的要求增加，系統設計人員可能會選擇使用分離式的音訊功能區塊。但這種解決方案在混合訊號系統中將會面臨許多問題。這些問題可以從兩方面來看，首先在數位領域，一個可以兼容多種取樣率和格式的系統，其設計將變得異常複雜；在類比領域中，訊號須進行混合和切換、放大和衰減等工作，因此會在訊號路徑中產生程度不一的誤差，同時也容易受到噪音收音的影響。事實上，在目前的可攜式媒體裝置上可以發現十至二十種不同的音訊訊號路徑，是非常普遍的。
音訊子系統扮演數位類比橋樑
混合訊號子系統被廣泛應用的一個重要特點是擁有將多個訊號路由引導到許多不同地方的能力。由於許多可攜式多媒體播放裝置都會執行許多任務，因此訊號須經過路由處理。圖1為混合訊號音訊子系統的範例。
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| 圖1 混合訊號子系統提供許多訊號路由選項 |
舉例而言，若設計人員考慮在行動電話及數位音樂播放器上採用相同的音訊系統時，電話的基頻須透過脈衝碼調變(PCM)將訊號送到數位/類比轉換器(DAC)，然後再連接耳機放大器供耳機使用。同一顆耳機放大器也可用於數位音樂播放器，其使用I2S資料串流，可以經由數位/類比轉換器播放，然後再連接到耳機。具備雙數位音訊連接埠的混合訊號子系統可以輕鬆執行此項功能。
混合訊號音訊子系統因為具備多路傳輸的能力，因此可以處理類比調頻(FM)廣播訊號。雖然FM廣播訊號受到調節，但這些訊號的振幅通常仍會超出喇叭所能承受的規格，導致喇叭單元損壞。為了避免這種情況發生，混合訊號音訊子系統可以將這些FM訊號進行數位化，使用數位訊號處理(DSP)技術來提供自動位準控制(ALC)和等化，然後再將其轉換回類比訊號以放大到喇叭或是耳機播放。此外，混合訊號子系統可以將數位化訊號傳遞到基頻處理器，以進行更多處理。
除了音訊路由和處理之外，混合音訊子系統還可以混合多種音訊串流。例如具備兩個數位音訊連接埠的混合訊號音訊子系統，就是系統內數位音訊介面的有力工具。例如，設計人員可以將I2S數位音訊串流轉換為PCM，並將其傳送到基頻，也可以使用相同做法將48kHz I2S資料串流轉換為44.1kHz。藍牙橋接是一項從雙數位音訊連接埠和取樣率轉換中獲益的應用。混合訊號音訊子系統提供了藍牙收發器與基頻之間的橋接介面，如果有實際需求，也可以進行取樣率轉換和數位等化等程序。這種連接的應用範例如圖2。
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| 圖2 以混合訊號子系統橋接藍牙收發器與基頻音訊處理器 |
D類音訊放大器適合高輸出功率應用
由於D類(Class D)音訊放大器具備高效率的特性，因此成為智慧型和多功能行動電話的標準。D類音訊放大器的一項關鍵區別是其輸出功率。高輸出功率的D類音訊放大器可以讓行動電話的聲音既響亮又清楚。這種應用的情形通常會在身處於高噪音的環境中發生，如人潮擁擠的火車站和機場。
在這種應用環境下，混合訊號音訊子系統中內建的D類音訊放大器輸出功率便是一項很重要的指標性規格。目前市面上已有可在1%的總諧波失真加雜訊(THD+N)的條件下，提供970毫瓦輸出功率的解決方案。這項額外的輸出功率可確保系統能輸出足夠音量，讓使用者清楚地聽到訊息。
行動電話使用開關模式電源供應(SMPS)來提供多種高效率的電源電壓。除了SMPS在電源供應上產生的高頻率噪音之外，還有電話本身在其RF功率放大器(PA)的電源週期間所產生的噪音。此功率放大器循環頻率會在音訊頻帶上發生，通常是在217Hz。
這些噪音來源有時可能會嚴重降低行動電話的音訊品質。混合訊號音訊子系統的主要特點之一是對這些噪音的高抗噪能力。混合訊號音訊子系統的電源供應抑制比(PSRR)達90dB以上，可將這些來源造成的噪音極小化。圖3顯示一個混合訊號音訊子系統中耳機放大器的電源供應抑制比。這個裝置可在217Hz下電源供應抑制比達到95dB時運作，其在較高頻率下的音訊品質幾乎不受影響。
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| 圖3 混合訊號子系統之電源供應抑制比表現 |
AB類音訊放大器仍有存在必要
可攜式媒體播放裝置最普遍的一項功能就是立體聲耳機的連接。使用標準3.5毫米耳機插孔、專用的連接器或客製化的迷你通用序列匯流排(Mini USB)與耳機連接。
目前市面上大多數的耳機阻抗值，都落在32歐姆左右。對於一個採用真接地模式的耳機放大器，其充電泵浦產生負電源供應，只須輸入1伏特的電壓振幅到32歐姆的負載點，即可提供16毫瓦的功率。對大多數的使用者而言，16毫瓦的功率所發出的音量已綽綽有餘，所以系統實際上對耳機輸出的電壓訊號可以更低。
這項應用需求為AB類(Class AB)音訊放大器在手機類可攜式裝置保留了一線生機，因為AB類耳機放大器若僅須針對耳機提供獨立和較低的供應電壓，其效率不如D類放大器的缺點就可以稍微得到紓解。圖4中的兩條曲線表示使用Class AB輸出的單一通道和理想的放大器。只要將耳機的供應電源從3.3伏特降至1.8伏特，即可節省45%的功耗。
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| 圖4 降低耳機供應電壓即可減少功率耗損 |
雖然以D類音訊放大器作為耳機放大器，理論上可以比AB類方案更加省電，但D類音訊放大器須搭配LC輸出濾波器，使得整體的設計體積變大而且也更昂貴，則是一大缺憾。此外，未知的耳機線長度和負載阻抗使得濾波器的設計更為困難。因此，在權衡利弊得失後，現階段市面上可攜式裝置在耳機輸出端仍採用AB類音訊放大器。
訊號失真估算不容輕忽
高性能的資料轉換器是降低處理幾和複雜度背後重要的一個元件。不巧的是，行動電話的基頻IC因為採用最新的製程技術，才能在最小的尺寸和最低的功率條件下提供高效能的特性。但這樣一來也使得元件供應商比以往更難在基頻數位/類比轉換器和類比/數位轉換器(ADC)的設計中維持高訊噪比(SNR)。
這項限制將使得行動電話在整合多項功能後，出現顯著的性能下滑現象。如果使用者只把手機當做單純的語音通訊工具，這個問題倒也不甚嚴重，但對許多人而言，手機也是他們的可攜式音樂播放器，因此手機製造商在進行產品開發時，須將手機音訊系統的SNR規格要求從原本僅須符合電信品質，大幅提升至高傳真音訊的水準。
或有論點認為，當音訊子系統的SNR超過90dB後，再提供更高的性能只是一種浪費，但作者認為這種觀點並不正確。雖然目前市場上最風行的MP3演算法會對音訊內容進行壓縮，導致其解析度和傳真度降低。然而，考量到40毫瓦或是更高的完整輸出功率的條件，其實系統只會損失大約26dB的SNR。正因為數位音訊壓縮技術所造成的失真有限，若設計人員認為不必預留些SNR預算，其產品可能禁不起用高級耳機仔細聆聽。
將數位/類比轉換器移出基頻的另一項好處是允許設計人員將數位/類比轉換器安置在更接近負載的地方。相對於類比訊號，數位訊號具有高度的抗噪能力，因此在進行系統設計時，類比訊號的傳輸路徑通常是越短越好，以藉此降低訊號在電路走線上耦合外部噪訊的機會。
音訊子系統優勢顯著
混合訊號音訊子系統在分離式電路區塊的設計上提供了許多引人注目的優點。這些優點包括節省空間、降低電力損耗、提升功能性及較高的效能。隨著消費者對可攜式產品結合所有最新功能的需求日益增加，系統設計者可以使用混合訊號音訊子系統來節省大量的設計時間。
(本文作者任職於美國國家半導體)