图1 Rock和Drama的数字声音信号的峰值比对

音频芯片面临的挑战

在下一代的便携产品市场里，音频IC面临着更大声的需求，即更大的功率瓦数。那么更大的功率瓦数有时候意味着感觉起来更大声的效果。但是瓦数变大以后，喇叭依旧是那么小，所以在IC中，我们必须考虑防止失真和喇叭可能烧掉的机制。

工程师的挑战会有一些问题，比如，第一，提供一个比较大的音量时，电池的电量却在慢慢减少，如何维持恒定？当瓦数输出越来越大时候，如何把它限制在一个最好的点？第三，如果信号过大或者或小，如何能够自动判断应该把增益调整到什么幅度？第四，如果响度需要一个好的信噪比如何自动最佳化这个效果？最后，在音效和应用处理器间找到一个好的平衡？

SmartGain技术

SmartGain

SmartGain （智能增益）是AGC/DRC（声音输出限制/动态范围压缩）的简称。为什么需要SmartGain？之前的音频信号中很多峰值成分会被自动地砍掉，不同的音乐播放模式，比如音乐、戏剧或者节目表演，它的音频通过模拟方式播放的时候，都能够取得一致的基准点，那么音量播放就不会有忽大忽小的问题，也不会突然有太大的声音对喇叭品质造成伤害。这个在旧式模拟播放时是不会有问题的，但是，在即将到来的数字播放的情况里面，音频信号用这个播放方式却会产生很大的问题。

图1表示了Rock和Drama的数字声音信号播放时的情况比对。Drama比Rock有更多的峰值。数字方式能把大部分的音质还原，也因为这样，峰值信号的大部分成分都会被原音重现，这固然是数字播放的优点，可是也会造成当两个不同的节目播放时，彼此之间找不到可以比对的基准点，相关度比较差。那么两个问题就会出现，第一，声音的峰值会过大损害喇叭；第二，平均的音量忽大忽小，大小声效果很恼人。

图2表示了一个杜比的统计，在不同的情境下的音乐播放时，平均的音量有大小声变化，可能超过喇叭的极限。这个情形可以通过SmartGain进行解决和改善。

SmartGain分两部分：DRC和AGC。在AGC的部分，会自动限制住瓦数最大值，同时又能不失真地把声音定在某个你需要的瓦数输出点，以往的AGC是由截波的方式来限制声音的播放。DRC在声音小的时候起到作用，目的是要提高小声时声音的响度。在便携式产品里，喇叭的尺寸变小，声音也会变小，人的耳朵灵敏度却没有改变而是维持在恒定的值。当便携式产品中播放音乐时，和一般的家庭剧院播放音乐要求不一样。重点是便携式产品播放的音乐时必须听得清楚。DRC技术可以在IC侦测到声音过小的时候，可以自动选择不同的压缩方式，把过小的声音自动调整成耳朵听得清楚的声音，从而得到清晰的声音。

如果没有SmartGain，大声的声音就会越来越大声直到超过极限。图3为具有SmartGain的声音效果处理。

在前半段小声的时候，DRC起到了自动增加声音得到清晰的效果，在后半段大声的时候，在声音过大的时候可以得到限制，又不会失真。听起来平均起来会比没有SmartGain的来的清澈响亮但又不会超过喇叭的最大功率。这就是SmartGain的好处。

图2 不同情形下各种声音的大小声变化


图3 具有SmartGain的声音效果处理

测试应用

TI有一颗TPA2028芯片，TPA2028是一个3W单声道的D类放大器，是集成到AGC和DRC的一个音频芯片。DRC可以通过I2C总线调整压缩比让响度可以提高，AGC又可以保护喇叭，也可以调整想要的输出瓦数，AGC和DRC是由TI通过DSP精简技术精简了之后放在喇叭功放的，节省CPU计算时间。

由于内部快速增益上升的AGC机制，效果很快可以得到。TPA2028采用2.2 mm×2.2 mm尺寸的WCSP封装，并配套相关软件工具。

使用TPA2028D1和传统的TPA2010作比对，如图４所示。可以看到黄色的区域就是一个小声的听不清楚的部分，具有DRC的TPA2028D1就会听得清楚。把音量低的部分比音量高的部分放大的更大一点，就会听的很仔细很清楚，比如背景音乐，这点在便携式产品里面尤为重要。在黄色区域以外，传统的放大器已经放大的太多，信号可能已经非常接近临界线，但是有SmartGain的TPA2028D1就控制的比较好，喇叭得到了保护。

如果需要更大的弹性度，TPA2028的I2C的总线提供一个模式选择，可以选择通过软件界面来进行控制。软件的控制在音质、音效、动态范围的减损等方面来达成，因此比较好的做法是将软件音量调整到100％而纯粹用喇叭的硬件IC来调整音量的大小，效果则较佳。

扩音技术

TPA2015可以让喇叭的失真度维持在限制内，在电压往下掉的时候也能够维持绝对瓦数的输出。这和SmartGain不一样，这也是一个不错的选择，完全取决于设计的需要。一般来说适用于导航机或者录音笔。

MiniDSP技术

MiniDSP是一个获得更好的声音和更大声音的另外一种方法。MiniDSP可以设置不同的数字滤波，达到不同的FIR或者IIR的效果，比如，可以做自适应的主动降噪、回音消除、频谱分析或者音效处理等。

图4 具有SmartGain的声音效果处理

三种不同的技术选择重点

从IC成本上分析，价格最有竞争力的方式是SmartGain，尺寸精简。从喇叭的成本上看，使用MiniDSP的技术最具竞争力，因为MiniDSP里面的数字滤波器可以补偿喇叭的不足，提高音质和音量。

如果需要有SmartGain的DRC增加平均功耗，又需要AGC来设置输出瓦数，SmartGain是个好选择。如果需要绝对音量最大，就需要使用带扩音（booster）的芯片，即使电压不断下降依然能保持大的瓦数输出，但是采用了升压架构，器件成本会增加一些。如果需要更复杂的音效，可以使用MiniDSP，从而打造客户独特的技术音效。