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手机音频研究 1 2 目录 手机音频系统音频功能电路手机音频调试器件选型及声腔结构 手机音频系统 手机音频系统PCM编码DSP音频功能电路手机音频调试器件选型及声腔结构 1 3 PCM编码部分PCM编解码电路的任务是模拟信号和数字信号的转换 当手机处于发射时隙时 它首先将话筒声电转换到的模拟电信号进行音频放大 然后转换为离散的数字语音信号 A D转换 并送到数字处理电路 当手机处在接收时隙时 它将数字音频处理电路送来的数字信号进行PCM解码 将数字语音信号还原成模拟的音频信号 D A 转换 然后进行功率放大 到听筒进行电声转换 推动听筒发声 手机音频系统 2 4 DSP部分在手机发射时 将音频编码电路送来的数字信号进行信道编码 交织 加密等处理 得到数码语音信号 经GMSK调制 最后得到基带发射信号 送到射频部分进行上变频的处理 在手机接收时 将射频部分送来的基带信号进行GMSK解调 经解密 去交织 信道解码 语音解码后 送到PCM解码电路进行PCM解码 手机音频系统 3 5 手机音频系统 随着手机集成度的提高 多数手机PCM和DSP已不独立存在 这两部分电路被集成在CPU或其它IC内 4 6 手机音频系统 乐音 喇叭 听筒 语音 5 7 手机音频 手机音频系统音频功能电路麦克风电路听筒电路耳机电路铃声电路元件布局手机音频调试器件选型及声腔结构 6 8 音频功能电路 使手机音频系统被用户直接感知的媒质实际上只有喇叭 麦克风 听筒 这些媒质关系四个部分 麦克风电路听筒电路耳机电路铃声电路 7 9 麦克风电路 麦克风电路实现将语音信号转换为电信号并有效的送入芯片进行处理 是通话电路里最重要的一部分 其中牵涉拾音 预放 传输 量化编码 等等 问题比较多 非常具有代表性 麦克风电路重点和难点是保证有效无误的进行信号传输 8 10 麦克风电路 麦克风内部结构驻极体电容将声音信号转变成电信号 并通过一级共源极FET放大输出 9 11 麦克风电路 合理的偏置电压抗干扰性好的走线有效的滤波电路 MIC电路要点 10 12 偏置电压 MIC典型应用电路 电阻R 它的作用就是为FET提供一个偏置电压 保证FET工作在放大区 完成信号的放大 这个电阻就叫做偏置电阻 偏置电阻的阻值选择应该考虑FET动态范围来确定 使输出信号的幅值尽可能大并且要保证不失真 因此静态工作点 Q 设置应当靠近负载线的中部 麦克风电路 11 13 输出阻抗 2 2标称电压 2V工作电流 500UA偏置电阻 2 2K 麦克风电路 12 14 麦克风电路 差分走线定义 差分信号通俗地说 就是驱动端发送的等幅反相的信号 差分走线就是承载差分信号的走线 特点 抗干扰能力强有效抑制EMI适合于低幅度信号的电路 13 15 麦克风电路 设语音信号转变为电信号产生的电流为i 通过C5 C6隔直流后可以在芯片处得到 可见只要R1 R2那么两路信号为差分信号 14 16 滤波单元 麦克风电路 15 17 听筒电路 T1 T2ESD器件B1 B2磁珠 吸收超高频干扰C1抑制射频级差模干扰C2 C3滤除射频级干扰 16 18 耳机耳麦电路 17 19 耳机耳麦电路 HEADSET SW 插入耳机检测 当耳机插入时 由于耳机电阻很小 则XMP3 R被接地 这样HEADSET SW端也下拉到地 触发中断给CPU 显示插入耳机 切换到耳机模式 R217与C201 R216与C215分别组成高通滤波器 滤除可听频率以下部分频率 ADC5 HF MIC 挂机检测 用来检测耳机的挂机键是否按下 当耳机挂机键按下时 XMICP信号将被短接到地 ADC5 HF MIC也将下拉到地 触发中断 C213 C214 滤除射频级共模信号的干扰C203 C210 隔直通交的作用 隔断偏置电压进入到BB中R204 C207 组成低通滤波器 消除电源里的高频噪声R205 R204 偏置电阻给MIC内部的FET提供漏极偏置 使其工作在恒流区 完成信号放大的作用 18 20 铃声电路 19 21 铃声电路 C251 C252 隔直 C262 C254芯片要求和C251 C252一样C250 C261 滤掉电源里高频和低频的干扰 C250滤低频 C251滤高频C256 C257 C259 C260 滤除900MHz信号的干扰L250 L251 L252 L253 消除射频的干扰 根据磁珠的阻抗频率特性曲线来选择T250 T251 T252 T253 ESD器件R253 SDR SDL是使能端 高电平有效 接一下拉电阻 用来检测高电平 常态为低电平一般情况下我们还会在电路中引入负反馈 可以通过改变反馈电阻来调节放大器的增益 20 22 MIC 信号输入 滤波元件尽量靠近基带芯片耳机 受话器 滤波元件尽量靠近发声器件放大器电源滤波尽量靠近功放芯片 元件布局时应注意几点 元件布局 21 23 手机音频调试 手机音频系统音频功能电路手机音频调试CTA音频调试规范CTA音频项目及调试方法生产参数调试方法器件选型及声腔结构 22 24 CTA项目调试规范 23 25 CTA项目介绍与调试 发送频响SFR发送频响表示系统音频解码的输出音频信号同参考嘴输入音频信号的比 信号运作过程为 UPL控制人工嘴发出测试音频信号 手机通过麦克风接收到音频信号 然后经过手机基带到手机的射频部分转为射频信号输入到CMU200中 然后CMU200在跟UPL交换数据 进行计算 最终得到SFR的曲线 CTA要求测量得到的频响曲线必须入框 24 26 CTA项目介绍与调试 发送响度SLR发送响度表示手机最终从射频发射出去的声音的大小 用dB表示 对曲线上每个频点的值利用不同的加权系数 经一系列计算以后 SLR值的大小最终得出 当然 这一切都是由UPL来完成 CTA测试规定的SLR值的大小为8 3dB 25 27 接收频响RFR接收频响表示人工耳处麦克风接收到的音频信号仪器向手机发送的信号的比 流程大体为 UPL控制CMU200发送信号给到手机 手机接收到射频信号经过基带 然后从受话器发出声音 麦克风接收到音频信号后经过放大回到UPL中 UPL在将输入和输出信号进行对比 最终得到RFR曲线 接收响度RLR ReceivingLoudnessRating 接收响度表示麦克风在手机的受话器部分所测量得到的声音的响度 用dB表示 算法与SLR类似 CTA项目介绍与调试 26 28 CTA项目介绍与调试 27 29 CTA项目介绍与调试 28 30 2020 3 20 31 CTA项目介绍与调试 侧音掩蔽评定值STMR SideToneMaskingRating 所谓侧音是指发话人对着话筒说话 通过侧音通道听到自己的声音 29 32 CTA项目介绍与调试 发送 接收失真发送失真指的是手机在不同功率等级下发射1KHz的信号 测量得到的SINAD 信号 噪声及失真比 值 具体测量的时候 UPL控制人工嘴发出不同功率的信号 手机信号经过射频接口同CMU200进行通讯 CMU200将数据交给UPL进行处理 最后得出结果 在CTA的规定中 每个输出的功率等级 最后所测量得到的SINAD值必须满足要求 UPL最终会将这些SINAD值的大小连成一条曲线 横坐标为功率值 纵坐标为SINAD值 要求测试结果满足每个功率等级上的值都大于一定的值 30 33 CTA项目介绍与调试 发送失真的产生非线性失真 输出信号与输入信号不成线性关系 由电子元器特性曲线的非线性所引起 使输出信号中产生新的谐波成分 改变了原信号频谱 量化失真 在数字系统中 当模拟信号被抽样 再把每个抽样信号编码为有限数组中的一个 就会出现量化失真 把原始信号与量化后又复原的信号作比较 将差异叫量化失真 31 34 CTA项目介绍与调试 MIC DSP A D AMP AMP AMP 32 35 CTA项目介绍与调试 硬件方面确定MIC以及各级放大器有合理的偏置确定各处供电经过良好的交流滤波 将麦克用泡棉密封能起到一定改善作用 通过屏蔽改善MIC抗干扰能力软件调试方面通过减小发送响度 在CTA要求范围内 来减小非线性器件的影响 调节发送曲线时将1000HZ处增益拉高 33 36 CTA项目介绍与调试 接收失真减小接收响度音量 在CTA要求的范围内 调整发送频响时 拉高1020Hz处的增益一般来说只要做到这些 可以很容易通过CTA规范 34 37 CTA项目介绍与调试 空闲信道噪声 发送和接收 所谓空闲信道噪声是指在没有语音通信的情况下的噪音 发送空闲信道噪音指近端没有语音信号且周围环境安静时在远端接收到的功率 要求小于一定值 而接收空闲信道噪音是指远端没有语音信号且周围环境安静时近端接收到的功率 要求小于一定值 35 38 CTA项目介绍与调试 常见噪声主要包括 白噪音 由音频器件信噪比 灵敏度 芯片内部放大器噪声等因素决定 RF噪声 传导方式辐射方式 开关电源产生的谐波通过内部电路串扰到模拟电路上 产生电流声 36 39 CTA项目介绍与调试 要降低噪声 就应该在电路设计初期引入措施最大程度的降低产生噪声的可能 设计稳定干净的电源系统 选用信噪比较高的器件 在电路中引入合适的磁珠 充分利用差分走线 音频线包地等等 只要充分考虑这些问题 空闲信道噪声就不会不过 当然如果出现空闲信道噪声不过的话 我们就应该从这些地方找原因 分析产生问题的原因 引入相应的措施解决 37 40 CTA项目介绍与调试 回音抑制A与B通话时 A话音结束即刻能听见自己的尾音 也就说A听到了自己的声音 这就是说明B的手机有回声 芯片内部集成了AEC模块 调节回音抑制实际上就是调节AEC模块的参数 38 41 CTA项目介绍与调试 消除回音的措施 MIC前腔必须密封 如果密封不好就会引入回音 听筒的出音孔和MIC的进音孔应该尽量避免处在同一个平面上 在CTA可接受范围内减小发送接收音量也是增大回音抑制的可行方法 39 42 生产参数调试 特点 无论理论如何完美 生产出来的东西的好坏检验的标准是应用 生产曲线调试必须从用户角度考虑 生产曲线的调试比较繁琐 数据较多 工作量大 操作稍不规范就很可能导致返工 重复劳动 浪费时间 因此必须概念清晰 严格按照操作流程进行操作 40 43 流程 METAtool Uptoflash 原始数据 生产参数调试 Savetoinifile 通话调试 主观测试 OK NO 铃声 按键音调试 数据结果 41 44 生产参数调试 要尽可能地还原原声 应该将信号在每个频点上等增益放大 也即发送和接收频响曲线理想状态都应该是平直的直线 事实上CTA是在追求这样一种效果 但是这样的平直的频响曲线在应用上其实是不合适的 这是由于振幅决定声音大小但并不能决定人耳听到的声音的大小 话音频率范围300K到3300K 低频和高频对于语音还原几乎无作用 人耳对于1000HZ附近的声音最敏感 对中低频中高频相对敏感度较低由于掩蔽效应 过大中频音会掩盖高频音 42 45 生产参数调试 43 46 生产参数调试 这里音频的调节不像CTA那样会有严格的一致性 主观因素比较多 要通过不断调整曲线和不断试听修改来得到最优曲线 通过多个机型的调试 总结出调试的一个大致方向 听起来效果比较好的曲线在各各频点的值都不会超过一定的范围 一般我们调节中低频约400K最高在2 6dB之间 中频约1K 1 2K在 10 6dB之间 中高频略小于3K处较中低频低两到三个dB 44 47 生产参数调试 45 48 生产参数调试 TDD噪声传导方式 PA工作时最大功率可达两瓦 会在电源上引起几百mV的217HZ频率的电源拉动 进而影响音频电路 辐射方式 RF信号会藕合到MIC及其信号线 RECEIVER的信号线 FPCCABLE数据总线 键盘线等任何裸露在外的信号线上 会进入芯片后由非线性器件解调出217HZ频率的噪音 开关电源产生的谐波通过内部电路串扰到模拟电路上 产生电流声 46 49 生产参数调试 47 50 生产参数调试 电路原理 选用优质电声器件信号差分走线 线上串磁珠 合适的地方加合适的滤波电容 供电系统加滤波电容 PCB布局 音频部分电路应该远离射频部分的电路 避免射频电路的直接辐射干扰 音频部分电路设计允许的情况下布局在单独屏蔽盖内 保证音频部分电路的电源 地干净 不与射频或其他潜在干扰共用电源和地 采用差分走线 并进行包地处理 对于滑盖机FPC也要接地良好 例如整体刷导电浆接地屏蔽 48 51 器件选型及声腔结构设计 手机音频系统音频功能电路手机音频调试器件选型及声腔结构 SPK对铃声影响声腔对铃声影响 49 52 器件选型及声腔结构设计 铃声的关键点声音大小频带特性失真程度 SPK的物理特性 音腔结构共同决定了铃声的音质 50 53 发声原理 在喇叭的线圈上通过一定的电流 在磁场的作用下 线圈将产生一电动力 引起线圈的运动 而线圈连接着振动膜的边缘 带动振动膜一起振动 便向空气辐射了声波灵敏度对声音的大小是很关键的因素低频特性决定铃声低音效果失真度大小影响到杂音大小额定功率不决定声音大小 扬声器对铃声的影响 51 54 扬声器对铃声的影响 52 55 声腔对铃声影响 声腔作用 SPK前后相位相反 幅度相等 在没有音腔的情况下 前后声波干涉 就会在某些地方产生削弱 腔体可以隔开两者 避免干涉 手机声腔在一定程度上调整SPEAKER的输出频响曲线 通过声腔参数的调整改变铃声的高 低音效果 其中后声腔容积大小主要影响低音效果 前声腔和出声孔面积主要影响高音效果 53 56 声腔对铃声影响 前音腔 泄漏孔 后音腔 出声孔 泄漏孔主要是由SIM卡 电池盖 手机外接插