当手机不断地整合包括照相、游戏、数据资料、视讯等各种功能于一身时，它已摇身一变为一台多媒体应用的播放平台，可说是朝具体而微的随身型迷你电脑在发展。定位上，这样的手机有别于既有的纯粹语音的手机（Voice phone）或具备某些功能的手机（Feature phone），而当属于智慧型手机（Smart phone）。

智慧型手机除了具有较强的资料编辑管理能力，更能提供音、视讯、游戏的多媒体应用服务，也能同时处理多项工作。更进一步来看，它的功能面涵盖了通讯、资讯与多媒体功能，即：

除了资讯功能外，在通讯与多媒体的应用上，音讯是必要的处理任务。在过去，手机只需要处理单纯的语音通话讯号，但今日的智慧型手机中得处理的音讯任务繁重，除了多音调振铃、MP3音乐外，可能还要有FM广播及游戏音效，而且不能只是单声道的效果，现在要求的是立体声的临场感体验。

过去，数位音讯的世界是截然两分的：一边是Hi-Fi的世界，另一边则是语音的世界。一般而言，Hi-Fi是指16-bit立体声品质、以44.1kHz取样的音讯，也就是CD音乐的规格；电话语音则是8-bit和8kHz的单声道（mono）、低阶品质音讯。不过，进入智慧型手机的时代，两个音讯世界开始撞击在一起了，如何将音讯次系统完善地与应用及通讯处理平台整合在一块，就成了行动设备工程师开发新产品时的关键性挑战。

音讯编码格式与介面

在进入系统架构的探讨前，先来看看音讯编码的现状。今日音讯编码的格式繁多，针对声音的编码就有PCM、ADPCM、DM、PWM、WMA、OGG、AMR、ACC、MP3Pro以及MP3等；针对人类语音有LPC、CELP与ACELP等；其他还有MPEG- 2、MPEG-4、H.264、VC-1等视听节目的编码格式。手机多媒体格式的市场趋势请参考(图一)。

《图一 手机多媒体格式的应用市场趋势》

以下介绍三种常用的音讯格式：

AMR格式

AMR为自适应多码率语音传输编解码器（Adpative Multi-Rate Speech Codec），最初版是欧洲电信标准化拹会（ETSI）为GMS系统所制定的语音编解码标准，而因频宽又分为两种--AMR-NB（AMR Narrowband）和AMR-WB（AMR Wideband）。以市场最大品牌Nokia来说，其多数手机都支持上述两种格式的音讯档。

MP3格式

MP3是MPEG AudioLayer3的缩写，这是一种音讯压缩技术，其编码具有10:1～12:1的高压缩率，可以保持低频部份不失真，但牺牲了音频中12KHz～16KHz的高频部份来降低档案大小，其.mp3格式档案一般只有.wav档的10％。另外，MP3受到欢迎的一大原因，是它并非受到版权保护的技术，所以任何人都可以使用。

MP3格式压缩音乐的取样频率有很多种，可以用64kbps或更低的编码来节省空间，亦可以用到320kbps以达极高的压缩音质。 MP3在编码速率上，又分为CBR（固定编码）以及VBR（可变码率）技术，有些手机无法播放下载来的音乐，正是因为没有支援VBR格式的MP3音乐。

AAC格式

AAC即高级音频编码（AdvancedAudioCoding），它采用的运算方式是与MP3不同，AAC可以同时支援多达48个音轨、15个低频音轨、更多种取样率和传输率、具有多种言语的相容能力，以及更高的解码效率。总结来说，AAC可以在比MP3档案再缩小30％的条件下提供更好的音质，所以被手机界视为是最佳的音讯编码格式。 AAC是一个大家族，他们是共分为九种规格，以适应不同场合的需要：

上述的规格中，主规格（Main）包含了增益控制以外的全部功能，其音质是最好，而低复杂度规格（LC）则是比较简单，没有了增益控制，但提高了编码效率，至于SSR与LC规格大致相同，但是多了增益的控制功能，另外，LTP/LD/HE都是用在低码率下的编码，其中HE采用NeroACC编码器支援，是近来常用的一种编码率方式。不过一般来说，Main规​​格和LC规格的音质相差不大，因此考虑手机目前的记忆体仍有限的情况下，目前使用最多的AAC规格是LC规格。

音讯介面

就音讯的介面来说，也是智慧型手机设计者需考虑的重要议题。数位语音一般采用PCM（Pulse Code Modulation）介面，而Hi-Fi立体声则采用串列I2S（Inter-IC Sound）介面或AC '97介面。 I2S是飞利浦为数位音讯设备之间的音讯资料传输而制定的一种汇流排标准，是目前消费性音讯产品中常用的介面；AC '97则是英特尔用于提升个人电脑音效、降低噪音的规格，由于在1997年制订，因此称为AC '97。

在电脑的音讯需求上，基本上与消费性市场极相似，但为了要能播放不同取样速率（8kHz、44.1kHz、48kHz）下录音的音乐档案，所以需要更有效率和便宜的解决方案，而AC '97就具有这样的特性。在广义的手持式设备市场中，三种格式各有其拥护者：CD、MD、MP3随身听会采用I2S介面；行动电话会采用PCM介面；具音讯功能的PDA则使用和PC一样的AC '97编码格式。

音讯系统整合策略

在较早的整合系统中，通常是将电话与PDA的电路并排放在这个设备外壳内，其中PCM语音编解码由通讯处理器来控制，Hi-Fi立体声（AC '97或I2S）的处理则连到另一颗应用处理器。在此架构中，两个音讯子系统之间的整合性还很低，分散式的硬体切换电路除了较占空间、需要额外的离散元件来做讯号交换和混音外，也会带来谐波失真（harmonic distortion）等的问题，如(图二)所示。

《图二 PCM与立体声分别处理的音频架构》

因此，为特定应用而量身定制一套整合性的解决方案是较理想的作法。在SoC的技术趋势下，已有一些厂商将立体声数位类比转换器（DAC）或编解码器（CODEC）整合到特定功能的IC当中。不过，有些功能适合整合在一起，有些则可能得到反效果。

举例来说，当厂商将电源管理和音讯处理功能整合在一起时，通常得在音质的部分做妥协，因为电源稳压器（regulator）所产生的噪讯会干扰到附近的音讯路径；若将音讯功能整合到数位IC中也有困难，因为对于Hi-Fi的元件来说，需要用到0.35μm的制程来让混合讯号处理得到最佳化效能，但目前数位逻辑方面的应用已朝采用0.18μm以下的更高阶制程发展。以上述两种整合性的晶片策略来说，要让两种不同的电路同时存在于一个晶片当中，其最终的晶片尺寸可能也会大到难以接受。

此外，扬声器功率放大机（loudspeaker amplifier）特别难被整合。它所产生的热是一个问题，需要做散热处理，因此往往需要另一颗独立的扬声器驱动IC。还有一个整合上的常见问题，也就是为了让IC尽量做到最小化，可能会产生类比输入或输出接脚数目不足的问题。

专属的音讯IC可避免这些问题，而音讯整合有好几种方法可以达成。共享ADC和DAC能减少硬体成本，但却不能同时播放或录制两种音讯流格式。为个别功能安排专属的转换器（converter）可以解决这个问题，不过，此一作法会增加晶片成本。妥协的作法是只共享ADC的部分，但有独立的DAC，这样做的话，当电话通讯在进行时，也可以同时播放其他音讯（如播放另一通电话的铃声，或播放音乐），但在通讯时不能同时进行录音。ADC的耗电可以透过关掉一种用途，而以较低取样速率的方式来加以控制。请参考(图三)及(图四)。

《图三 专属音频处理系统概念》

《图四 智能型手机音频处理架构图》

此外，音讯系统也可以有不同的作法。当语音CODEC被整合在通讯晶片组中时，搭配另一颗具有额外类比输入、输出和内部混音的Hi-Fi CODEC是恰当的作法；在另一种情况下，一个具有直接连结无线耳机功能（如蓝芽）的专属PCM介面的双CODEC也有其使用上的好处，如(图五)所示。

《图五 具有无线耳机功能（如蓝芽）的双CODEC音频架构》

以下针对音讯系统中的几个重要组成进行规划上的分析：

时脉与介面

共享通讯与应用次系统的内部电路区块虽然可行，但对于介面来说并非如此，因为不同的音讯应用得在独立的时脉区域中以自己的时脉频率来运作。只要情况仍是如此，整合性智慧型手机的CODEC就需要同时有PCM介面和独立的I2S或AC '97连结介面。

在非移动性的设备（如PC）中，音讯时脉通常由一个石英振荡器（crystal oscillator）来产生，但在智慧型手机的设计中，为了避免额外的耗电、板面空间和时脉晶片的成本，设计者偏向于将Hi-Fi音讯所需的时脉功能从既有的时脉中独立出来。由于低耗电、低噪讯的锁相回路（PLL）能被以相对较低成本整合到混合讯号晶片当中，所以元件厂商的作法是将一颗或两颗PLL整合到智慧型手机CODEC中。

麦克风

在智慧型手机中最难的设计议题，往往与麦克风（Mic）有关。一般来说至少有两个麦克风需要考虑：一是内建的内部麦克风和插入耳机（headset）的外部麦克风。此外，可能还会有用于噪讯消除（noise cancellation）或立体声录音的额外内部麦克风，以及车用免手持功能所需要的另一个外部麦克风。除了讲电话外，这些麦克风也能透过应用处理器的控制来录制语音短讯或视讯短片中的音效。

若要由音讯CODEC晶片来涵盖各种切换功能，此晶片的电路需要做好妥善的设计。除了录音功能，CODEC也应提供侧音（side tone）的功能，这样一来耳机用户也能听到自己的声音。插入侦测功能则能提供无缝的切换功能，也就是当耳机插入或拔出时，系统会自动转换使用内部或外部的耳机。

人声（acoustic）的噪讯消除是另一个问题，它需要用到两个麦克风，一个同时接收讲话的声音和背景噪讯，另一个则只接收背景噪讯。类比的作法往往不足够，因此​​需要透过数位讯号处理来加强，而音讯CODEC需达成两个麦克风讯号的数位化任务。

另一个问题是室外风声噪讯的问题，它的频率通常低于200Hz，因此透过高通（high-pass）滤波器就能处理掉，但这样一来，在室内录音​​时就少了低频部分的声音。对于两用的麦克风来说，这个过滤器应该是可选用的，但很多的音讯ADC中都已内建了这颗high-pass滤波器，因此，手机厂商应针对需求选择合用的解决方案。

外接耳机

手机外接耳机（headset/headphone）的使用也需要特殊的类比电路，也就是当耳机插入时，音讯输出讯号就能绕径到耳机上头。虽然整合机械性开关的插座（socket）能够满足此要求，但它的尺寸过大且昂贵；此外，扬声器的音量大小可能也不适合这个耳机。为内部与外部音讯提供独立的音量控制可以解决此问题，而且也能使用较简单的插座设计。此一外接耳机是否具有麦克风也需要被侦测出来，这可以透过是否感测到重叠电流（bias current）来分辨，如果没有电流流动，那就表示没有麦克风被插入。智慧型手机的音讯CODEC中应加入此一电流感测器，进而能因应不同情况达成音讯输出入的处理。

扬声器

智慧型电话在先后增加了多音调振铃、MP3播放及FM广播等功能后，其播音系统也朝向立体声扬声器来发展。在手机扬声器的设计上，主要的问题是配置架构、功率与耗电性的考量。若要支援立体声，手机需要有两个外部扬声器，但由于手机体积太小，这两个扬声器的位置难以拉开，所以立体声的效果不易展现，这时就需要采用特殊的3D效果处理。若是要支援免持听筒的功能，那就需要连结到另一个较大的扬声器上。为个别扬声器提供专属的类比输出是最好的方式，但电源管理上必须有因应作法。

由于扬声器功率放大机会用掉大量的供电，当它们不使用时关掉电源是很重要的。智慧型手机的音讯CODEC能提供一些电源管理功能，为个别扬声器的输出做好开关管理，这样一来能避免不需要的电源泄露。此外，系统电源管理方案中的电压稳压器通常无法为扬声器提供达到最大音量所需的电力，因此CODEC晶片厂商采用加入晶片内扬声器放大机的作法，也就是直接透过电池来驱动扬声器。这样做虽然不见得能降低耗电，但它也省下了对额外电压稳压器的需求。

铃声

近几年来，手机铃声愈来愈复杂，从单纯的响铃声，到和弦铃声，再到各种声音都能制作成立体声的WAV和MP3格式。 MIDI已成了和弦铃声的标准格式，很多厂商为此一应用推出专属的低耗电MIDI晶片。要在音讯次系统中整合此一　MIDI晶片，CODEC上需要有额外的类比输入。

这些额外的输入对于FM收音机IC的连结也是有用的，能为多媒体应用提供加值的功能。 MIDI音讯的产生当然也能由音讯CODEC来产生，但现今市场的趋势是以特殊的铃声档案来储存，并透过现存的Hi-Fi DAC来播放，在此一市场区隔的情况下，欠缺MIDI软体库的CODEC晶片厂商并不会积极去做这件事情。

结论

智慧型手机的下一步会是如何？就Hi-Fi的立体声来说，俨然已是必备的系统功能，至于I2S与AC '97在手机音讯系统上的竞争仍然会继续下去。有些人喜欢较单纯的I2S介面，但也有人更中意低pin脚数和很容易可跑不同取样速率的AC '97。以智慧型手机来说，目前多数低耗电的处理器对两种规格都支援，看来两者还是会并存下去。不过，对于CODEC的厂商来说，要同时支援两项规格是比较困难的，因为AC '97的VRA（variable rate audio）功能需要和I2S不同的时脉架构，也需要多出许多额外的数位电路才能做到。

不过，智慧型手机还会不会如PC世界一样，从从立体声走向多​​声道的环绕音效格式（Intel的Azalia）呢？在近期内还看不出这样的可能性，因为今日的多声道效果虽然很炫，但晶片的成本和耗电性都还太高，这不是手机世界所能接受的。但今日否定的答案，在未来的电子世界仍存在很大的变数，没有人能说得准的。

延 伸 阅 读

未来智慧手机的电源管理技术 Polycom宣布，国际电信联盟（ITU）已批准Polycom Siren 14技术为14kHz超宽频音讯编码新标准。同时将进入由ITU-T建议的G.722.1 Annex C标准的最后征求意见（Last Call）阶段。该技术现正以免版权费（royalty-free）方式提供授权，可提供接近CD音质的音讯品质，不但声音更清晰，且减少了用户因视讯会议所带来的听觉疲累。相关介绍请见「Siren14音讯技术成国际标准」一文。 iPod热卖持续发烧，台湾MP3晶片设计厂商亦期望能赶上这个风潮。目前来说，台湾投入MP3晶片的厂商包含凌阳、联阳、扬智与合邦等厂商。至于在2005年的表现，根据初步估计约不到5％的市场占有率，可见得台湾IC设计厂商仍旧有很大的发挥的空间，尤其是MP3晶片报价已被压到2美元以下。你可在「MP3晶片是台湾IC设计厂商可发挥的空间」一文中得到进一步的介绍。 音效晶片不管在DVD、音响或是电脑上，都是不可或缺的一个部分，因为它掌管了音讯的输出品质。一套很棒的软体或音响喇叭，若缺少了音效晶片的计算控制，听起来就会让人觉得索然无味。在「让PC成为家庭剧院」一文为你做了相关的评析。

市场动态

瑞昱半导体（Realtek）发表新一代HD音效晶片ALC882。该新晶片具有高音质、多音源独立输出入技术、全新杜比高效能立体环绕音效功能等优势特点，在新一代数位家庭（Digital Home）的个人电脑平台应用上，将提供多声道、高音质音效的完整解决方案。相关介绍请见「瑞昱发表新一代HD音效晶片ALC882」一文。 英特尔发表适用于电脑的新一代PC音频格式High Definition Audio（HAD）。 HDA是产品代号名为Azalia的音频格式，现今版本为0.9。 Intel计划公开其最终版本。同时，英特尔将于2004年上半年推出支援HDA的电脑专用chip set（晶片组）Grantsdale。你可在「Intel下一代音频格式HDA将出炉 取代WMA？」一文中得到进一步的介绍。 MP3数位音乐风潮方兴未艾，看好MP3、WMA（微软特有的音乐压缩格式）音效晶片市场扩增可期，多家IC设计业者纷纷投入开发工作，希望或多或少抢占一杯羹。在「IC设计 抢攻MP3、WAV音效晶片市场」一文为你做了相关的评析。