最近某些音訊系統單晶片(SoC)在進行音訊整合時，因為晶片間音訊訊號傳輸至類比電路受到限制，因而使得揚聲器驅動技術的發展遇到瓶頸。而為了進行效能改善，也看到語音和音樂的數位音訊強化演算法陸續抬頭，期望能改善語音和音樂的音質、讓揚聲器的聲音較大、延長音樂播放或語音通話時的電池使用時間。
當採用此種音訊強化方法時，也必須要面對現今架構上的限制，同時須要克服功耗增加，電池壽命縮短、半導體晶片和被動元件占據更多的印刷電路板空間、音質變差以及減少了實驗和最佳化音訊演算法彈性等問題，才能徹底改善揚聲器的音樂及語音效能。
元件整合成兩面刃 技術挑戰隨之而生
許多高度整合的處理器和音訊系統單晶片都將數位類比轉換器(DAC)整合在內，企圖增加價值並減少空間；然而，實際上卻常導致反效果，包括增加成本、增加被動元件，並限制手機內類比電路的音訊通訊等。圖1顯示揚聲器輸出最常使用的訊號處理鏈。
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| 圖1 使用SOC和類比輸入放大器的典型揚聲器驅動線路布局 |
SoC和揚聲器驅動線路之間的類比互連會產生共通問題，例如被動元件數目增加，以及增益誤差(Gain Error)，這會使得電力輸出受到限制並影響較長的類比連接中收集雜訊的可能性。這通常須要增加額外成本去添置類比開關或調音裝置，才能將行動電話的語音導引至相同的揚聲器，並且壓抑突發的雜訊。此外，還必須要考慮同時針對來自多媒體處理器和基頻處理器的訊號採用揚聲器強化功能。
因此，該訊號必須重新數位化，好讓揚聲器等化或3D立體聲強化等演算法得以實現。雖然在某些揚聲器中常常會使用具有這些特點、未經加工的類比電路，然而談及彈性、成本效率和效能時，類比電路仍無法與同級的數位電路相比。如果這些數位揚聲器強化演算法是採用現今的架構而成，則其結果會類似圖2。
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| 圖2 數位揚聲器強化以及手機內部的類比訊號傳輸 |
然而，在大部分的情況中，處理器或SoC不會使用最先進的數位類比轉換技術，因為這類產品會先考慮數位特性的研發，之後才考慮混合訊號的特性，換言之，設計人員通常不會仔細檢視音訊DAC設計。高功耗、雜訊處理效能差、雜音以及不良的輸出驅動效能都是常見的問題。雜訊處理效能一旦降級，之後就無法恢復。
同樣的，被處理器的DAC所消耗的電力也無法重新獲得。揚聲器驅動線路的再數位化會消耗類比數位轉換器(ADC)中更多的電力，因此ADC必須具備高效能以避免進一步降低訊噪比(SNR)或總諧波失真(THD)，且電力和矽晶的成本又很高。另外，對於精確時脈ADC的需求又進一步增加了此線路的成本，這些都是近期所面臨的挑戰。
動態範圍控制有效強化音訊 滿足使用者感官體驗
值得慶幸的是，由於基頻處理器已開始採用數位數據傳輸以處理手機內的語音，因此也讓多媒體處理器和SoC可以朝同一個方向發展，並且採用數位連接至驅動揚聲器的裝置(圖3)。
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| 圖3 使用外部DAC的最佳化架構 |
如動態範圍控制(Dynamic Range Control)音訊強化法，就能針對揚聲器損壞及揚聲器驅動線路的熱超載提供基本的保護。其次，經由限制最大電力輸出，可保護電池被過度的電流汲取，因此當電池電力下降時，有助於防止驅動不足的截波，也減少瞬間的大訊號產生時所造成的失真情況(圖4)。
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| 圖4 使用動態範圍控制的防護 |
藉由此方式來減少峰值電流，電池的電力再也不會因為突然關機而受損，如此便能延長播放時間。不過，如果此動態範圍控制能應用於手機上，將會有更多人受益。藉著使用數位傳輸至驅動揚聲器的DAC或編解碼器(Codec)，便能擁有此種彈性。
數位動態範圍控制的另一項優點，是可以製造出小型的揚聲器，正好適用於行動電話中以提高音量。電影音軌從未針對在行動電話上的播放而設計，藉由增加安靜期間的增益，則可以改善在行動電話上的播放。另外，鈴聲的音量與語音通話品質也可以得到明顯的改善。
此架構還可以改善語音通話品質。現今大部分的雙處理器多媒體行動電話設計都是採用高效率的雙模裝置，不論是可攜式多媒體播放器或是基本的電話都可採用，能透過類比開關或音量調整分別連接至揚聲器和耳機。這也代表即使是有所限制的數位音訊強化演算法能用於多媒體處理器，但卻無法用於全程的通話時間。但由於各式需求不斷增加，因此揚聲器強化技術仍有機會出現跳躍式發展。
對於消費者而言，這些新架構能帶來音量更大的揚聲器、更長的電池使用時間以及無論是語音和音樂皆能擁有更佳音質表現。
(本文作者為歐勝微電子產品首席設計師)