隨身音樂大時代:淺談你所不知的智慧型手機音訊處理

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智慧型手機音訊處理器演進

在正式進入介紹智慧型手機音訊處理前,我們先介紹由傳統功能型手機到智慧型手機,演化路程和音訊處理架構改良過程。這不只是讓大家了解手機音訊處理的演化史,同時也讓大家更深入認識,為何半導體工藝演進和作業系統音訊處理架構改善,能夠讓音質更優異。

傳統功能型手機

早期手機主要是通訊功能為主,內部主要的半導體元件包含射頻(Radio Frequency)、基頻(Baseband)、應用處理器(Application Processor)和記憶體,當時主要以基頻為手機晶片的核心,負責處理手機主要的訊號處理工作。

隨著技術的改進,讓手機積體電路(IC,integrated circuit)高度地整合,再加上為獲得更輕巧的體積,並且考量節省晶片和印刷電路板(PCB,Printed circuit board)的成本,大多將各種相關計算能力原件都整合成單一系統級晶片(SoC,System on Chip),內建簡單的應用處理器與數位類比轉換單元,同時肩負基本通訊功能與簡單的計算工作。當時大多將多媒體編解碼器,整合到基頻或應用處理器中,音訊區塊同時橫跨中央處理器晶片的類比和數位部分。

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▲早期功能型手機(Feature phone)主要以通訊功能為主。

時下正夯智慧型手機

到了智慧型手機的年代,應用處理器因應日益增加的其他運算功能而逐漸被重視,也取代基頻晶片成為智慧型手機晶片的核心。應用處理器晶片可以整合各種計算能力,多媒體編解碼自然也包含在其中,但隨著消費者對多媒體影音品質需求不斷的提升,應用或基頻處理器具備的多媒體編解碼能力,也逐漸無法滿足需求。

目前將音訊處理從中央處理器,轉移到更高效能的專用音訊編解碼器上,已經是很常見的作法。但是由於整合到SoC時,因為晶片面積的限制和成本上的考量,較不容易被一般使用者所注重的音訊處理,就成了精簡的目標。再加上音訊處理器是類比/混合訊號IC,類比晶片製程在發展上較緩慢,因此當處理器往更高製程邁進時,音訊處理器IC往往造成製作上困難,因此音訊處理器在整合過程中往往會有所妥協。

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▲智慧型手機內部電路架構概要框圖。

去整合化成新潮流

因應智慧型手機越來越多的聲音相關功能,不同於傳統的整合設計,現階段音訊編解碼器逐漸朝著「去」整合設計方向演進。其中有一部分是由於處理器製程進步幅度減緩,市場又對智慧型手機處理器效能需求日益增加,造成應用處理器和圖形處理器的面積越來越大,迫使本來被整合入應用處理器之中的音訊編解碼器,被從內部被移出來,

高通(Qualcomm)在幾年前推出Snapdragon S3世代處理器時,就把多媒體編解碼器從應用處理器獨立出來。改將多媒體編解碼器和射頻晶片整合成另一個SoC,並且搭載專屬的DSP,來降低處理上的延遲。多媒體編解碼器獨立於基頻處理器與應用處理器之外,除了能夠降低影音訊號處理的延遲外,專用的處理架構也能大幅減少電力消耗,使得獨立多媒體編解碼器的設計架構有著顯著優勢。

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▲系統單晶片(SoC)是一個將計算機或其他電子系統集成到單一晶片的積體電路。

(圖片來源:http://www.arm.com)

永遠不會消失的Cost Down

雖然採用獨立音訊處理晶片,代替過去將音訊編解碼器整合到應用處理器SoC的設計,並非在音質上就會有突飛猛進的改善。但音訊編碼及解碼等任務,均可用專為音訊處理定製的硬體架構獨立晶片實現高效處理,並且整合更多如虛擬環繞音效強化等後處理音訊功能,的確可以進一步提升行動裝置的音訊品質。

為了更進一步減少音訊信號和其他整合元件,例如無線電的訊號會發生互相干擾情況,高通的Snapdragon S4世代處理器,就配置了獨立型音訊處理晶片WCD9310,這樣可以提供更加穩定的音訊品質。但是高通畢竟不是專門的音訊半導體晶片廠,高通對於WCD9310低耗電和功能性上的講述,遠大於對其音質的探討。此外,並非所有智慧型手機製造商,都願意使用獨立音訊處理晶片設計。

既然無法和射頻晶片整合到同一個SoC中,部分晶片製造商改採用將音訊編解碼晶片,和其他晶片整合在另一個SoC的方式,藉此降低製造成本。例如早期的愛立信和意法半導體(ST-Ericsson),以及和近期的聯發科(MediaTek)等,就將電源管理和音訊編解碼器整合成一顆多功能的SoC。雖然降低成本並非代表著音質不好,但就目前實際的情況來看,大多數採用類似設計的智慧型手機,音質方面都沒有太出色的表現。

外部獨立音效處理晶片

為了獲得更優良的音質表現,部分注重聲音表現的高階智慧型手機產品,大多採用ESS、Wolfson、Yamaha、Texas Instruments、Cirrus Logic等,傳統音訊半導體晶片廠商提供的音訊解決方案。像是擁有製作過iPod音樂播放器經驗的Apple,從第一代iPhone使用Wolfson WM8758BG,到最近iPhone 5s的Cirrus Logic 338S1201,Apple一直都採用獨立音訊處理晶片的設計來處理音訊。

這些音訊半導體晶片廠提供的音訊處理晶片,除了擁有較優良的音訊編解碼能力外,往往也搭配專屬的功率放大晶片。在近幾代的iPhone中,都是使用1顆音訊處理晶片,搭配1顆功率放大晶片的配置。雖然和高度整合的SoC相比,必須使用更多的外圍電路,但高品質獨立音訊處理晶片,也對音質起到了一定的保證,使得iPhone的音質在智慧型手機中依然保持著較高水準。

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▲Snapdragon S4世代處理器:MSM8960 框圖,其中音訊處理晶片(WCD9310)已經單獨獨立出來。

Android系統局面混亂

相較於iOS設備較為封閉的系統,硬體一家獨大的局面,Android智慧型手機的音訊處理晶片則來自不同的廠商。除了上面提到為了節省成本整合音訊編解碼器的SoC設計、高通自行設計的音訊處理晶片,還有像是三星Exynos、NVIDIA Tegra這類整合度較低的處理器,必須額外搭配音頻解決方案所使用的音訊處理晶片,造成Android 智慧型手機的音質表現差異非常巨大。而且即便使用相同的音訊解決方案,各家手機廠商在音訊方面的調校功力,也會決定最終輸出的音質水平。

除此之外,由於Android智慧型手機廠商在音訊處理這塊的經驗較薄弱,自然是比不上擁有隨身播放器研發經驗的Apple。但是從早期三星Galaxy S採用WolfsonWM8994獨立專用音訊處理晶片開始,也可以看出部分Android品牌在其高階產品上,開始注重其音質的表現水準。而後續的Galaxy S II,更使用內建AB類功率放大器的Yamaha YMU82X晶片改善手機驅動能力。

另外像是vivo X1,採用高階播放器常見的Cirrus Logic CS4398,搭配CS8422這顆異步SRC晶片的音訊解決方案。到近期還有vivo X3、3S,使用目前隨身音訊處理器晶片中,由ESS公司推出目前參數指標最高的ES9018 K2M 晶片。再來還有Galaxy S4,使用Wolfson推出接近其自家高階DAC晶片水準的WM5102低功耗音訊處理晶片,可以看出各家智慧型手機廠商,不斷的在尋找讓Android 手機音質更好的設計。

 

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▲獨立型音訊處理晶片除了單純播放音樂,大多提供多樣化的音訊處理功能。

(下頁有智慧型手機音訊處理架構剖析介紹)

Yazi
作者

小弟是一位獨立耳機相關器材評論人員,興趣是撰寫耳機相關器材之評測文章,希望能藉由分享相關資訊來和更多的音樂發燒友交流,也藉由評測之機會尋找適合自己的耳機相關器材。

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Chia-feng Lin
1.  Chia-feng Lin (發表於 2014年10月16日 11:48)
"雖然智慧型手機擁有非常強大的運算能力,有時候甚至可以比擬高端電腦配備"

請問是哪部分

我真的不知道手機運算 哪裡比高階電腦強
勞碌命
2.  勞碌命 (發表於 2014年10月16日 16:45)
記憶中桌面Linux使用OSS為主要音效系統是1997年以前的事, 之後幾乎預設都改用ALSA了, 很懷疑 Android 2.1 怎麼還會用舊的...?
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