隨身音樂大時代：淺談你所不知的智慧型手機音訊處理

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。

▲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。

▲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。

▲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。

▲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。

▲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)