系统集成和低功耗设计
最近几年来，便携式音频播放器（以俗称的MP3为代表）已经成为消费电子市场最绚丽的亮点。与此同时，各家芯片供应商之间的竞争也日趋白热化。消费电子产品的比拼永远集中于往更高性能、更低成本、更高集成度和更低功耗的方向发展，而便携式音频播放器芯片则更加突出地表现出了对这几个方面的需求，使得性能、成本和功耗三者之间的矛盾日益成为芯片设计的挑战。下面就以珠海炬力公司的ATJ2097为例，介绍芯片供应商如何应对这些挑战。
系统集成度高，外围元件少
对于便携式音频播放器，消费者一直追求更小巧而时尚的外型，以及尽可能多的功能。这要求系统芯片的集成度很高，甚至即使外围的一些无源元件（比如电阻和电容）也要尽可能少；而且由于成本和尺寸的关系，要尽量避免使用大个头的元件，比如大容量的电解电容。另外，芯片的尺寸（不仅仅是硅晶片要小，而且是封装后的芯片）也必须尽可能小，芯片的管脚越少越好。比如同为LQFP封装，100个引脚的芯片就比64个引脚的芯片面积要大44%。众多功能模块的集成整合、大量数字和模拟电路的混合集成、对大规模集成电路的生产良率及其可测性的保障等等，都严峻考验着芯片供应商的设计和生产能力。目前，珠海炬力能够提供64个引脚的便携式音频播放系统集成芯片（ATJ2085、ATJ2095等）。
ATJ2097的系统架构，该系统芯片主要包含六大部分：主处理器模块、片外存储和控制的接口模块、PC接口模块（高速USB）、音频输入输出模块、电源模块和存储单元模块。片外只需再加上FLASH存储器、按键等少量实在无法集成的组件就可组成一台便携式音频播放器。
低功耗设计
便携式产品对整机功耗有严格的要求，不仅要求播放器在正常工作状态下功耗要低（终端用户侧表现为播放时间长），而且要求播放器的待机电流要很小，因为没有人愿意在不听歌时拔下电池。
ATJ2097通过对芯片内每个模块达到精确的掌控，采用严格停止不同功能模块的时钟和关断一些偏置电流等各种方法，能够将其在锂电池供电模式下的整机待机电流控制在160uA以下，也就是说如果使用常见的720毫安小时的锂电池，放置半年后播放器仍然能够正常工作。
要降低播放器在正常工作状态下的功耗，需要从两个方向努力。一是尽力提高电源的转换效率；播放器芯片通常都集成了高转换效率的升、降压型开关电源（DC-DC）；二是解码电路（或处理器）和音频电路的耗电要低。下面以MP3播放为例，重点介绍一下降低MP3解码电路功耗的努力。
MP3解码算法中运算量较大的函数主要有：HUFFMAN（约占20%），DEQUANTIZE（约占18%），IMDCT（约占18%），SYNTHESIS（约占20-25%），这几个函数约占70-90%，几乎决定了解码器的所有工作量。ATJ2097对这些函数进行了大幅的优化，在此仅对部分函数的优化方法做一点简单描述。
众所周知，HUFFMAN是上世纪五十年代初提出的一种经典而有效的可变长的无损编码方式，它根据字符出现的概率来构造平均长度最短的编码，不过其解码的复杂度高于编码。MP3用到了34张HUFFMAN表（其中有些表是相同的），其中32张用于两个数据的同时编码，另外2张用于4个数据的同时编码。
解码时，如果依照传统的HUFFMAN树按位展开进行解码，即每次输入1bit，若值为1，表示为右节点，为0表示为左节点，通过查找HUFFMAN树，直到查找到叶结点为止（表中值为0为叶结点，否则为下一个节点在表中相对当前节点的偏移值），当码字长度较长时需要的解码周期也较长。而ATJ2097则采用并行HUFFMAN解码，很好地解决了这个问题。其基本思想是通过保存HUFFMAN码字来重新组成新的HUFFMAN表，解码时每次输入长度固定为24位元的解码数据流，通过查找新的码子HUFFMAN表来进行解码，如此即明显地加快了解码的速度，同时也节省了HUFFMAN树的存储空间。
又如只会在MP3中才使用到的MDCT函数，为了在时域和频域都有较好的分辨率，其在MP3中使用了长块18个样本，短块6个样本的MDCT变换，由此所需要的运算量及存储空间都将相当大。而在ATJ2097中对该算法进行了充分的优化，其重点主要是尽量发挥DSP处理器的地址产生器等特点来进行算法优化。最终，对MDCT函数减小了近一半的运算量及存储空间，在降低了成本的同时，也使播放器的功耗有了明显的降低。
另一方面，在硬件电路上，ATJ2097同样做了精心的设计。众所周知，处理器、存储器、逻辑界面等数字电路，其功耗约等于F×C×V2，所以为了减小功耗，除了缩减运算量以降低工作频率外，还可以在减少逻辑门数量、压缩电路可工作电压两方面下很多功夫。减少逻辑门数量几乎是所有数字电路设计人员的努力方向之一，而各家芯片供应商的方法各自有所侧重，无非提高系统架构的效率、缩减非必要的功能、更具体细节地撰写硬件描述语句之类，ATJ2097亦然。
在压缩电路可工作电压方面，由于当工作电压降低时，逻辑器件功耗降低的同时，反应速度也将明显下降，所以ATJ2097采用的相应技术是提高逻辑电路的时序裕量、减小单位时钟周期内的绝对延时量、合理拆分耗时较多的逻辑运算到不同的时钟周期等几个方面。比较明显的表征是，利用0.25um工艺设计生产的系统芯片，通常的内核工作电压应该是2.5V，而ATJ2097则可以轻松工作在1.8V甚至1.6V，如此，自然大幅压低了内核的功耗。
提供Hi-Fi音质
提供Hi-Fi音质
Hi-Fi是High-Fidelity的缩写，对于音响系统即为“高保真”的意思，顾名思义就是重放出与原音高度相似的重放声音。当然，现在一般所讲的“Hi-Fi”已经是一个相对的概念，通常就是指高品质的音频录放系统。对于一般的发烧友来说，由于缺乏仪器和测量手段，更多的是凭主观听感来评定播放器的音质优劣。
消费者对便携式音频播放器的音质要求主要有：乐器和人声的音色真实、定位清晰，富有空间感和立体感、适当的混响、较高的信噪比、足够大的动态范围、均衡的音调比例、足够的功率储备等等，只有满足了这些要求，才能被称为Hi-Fi播放系统。
音频播放器作为一个数字音频播放设备，首先要将存储介质上的数字音频文件进行解码还原，通常是生成PCM数据，然后通过数模转换器（DAC）转化成模拟音频信号，最后经过功率放大器输出驱动耳机或者喇叭发声。由此可见，影响音质的环节有两个，一是要对源文件进行高品质的解码，使其产生的失真和对音质的损伤尽可能低；二是数模转换器（DAC）和功率放大器的音频指标必须达到甚至超过Hi-Fi的标准。
ATJ2097系统芯片中包含一个24位定点运算的DSP，通过小心地处理运算过程中的溢出和尾数的取舍，24位字长的数码精度已足以保证解码过程不对音质造成任何损伤。
解码后的PCM数据进入到系统芯片集成的18位元Sigma-Delta架构的数模转换器，产生出高品质的模拟音频信号，并经过集成的音量调节单元和高达14毫瓦的功率放大器后，直接驱动耳机发声。由于该播放器芯片内含有大量的数字电路和存储单元，它们运行时会产生严重的噪声干扰；而且为了获得较高的电源转换效率，便携式音频播放器几乎都会使用升压或降压的开关电源（即DC-DC），因而芯片内部模拟电路的电源噪声本来就高达上百毫伏；再加上前文所述对引脚数量和外围元器件数量的限制，芯片内各模拟电路的电源和地不可能分得很干净，外围电源滤波电路因尺寸的关系而效果也非常有限；所以，芯片中音频模拟电路部分所面对的电磁环境和电源污染非常恶劣。
ATJ2097则使用了三个方面的技术来处理这种问题。一是充分利用集成电路的N阱和P阱，一方面利用阱深划断基片表面的低阻层，以降低不同地之间的内阻，另一方面将许多独立的N阱单独反向偏置，以形成一个个独立而又较纯净的电源孤岛，从而得到较好的数字电路和模拟电路的界面隔离以及芯片基底隔离；二是巧妙地规划模拟电路各个部分的电源和地的回路，既要使电源和地回路上的阻抗较低，又要使整个回路的平面面积较小，以抑制电磁感应的污染；三是通过采用全差分电路结构形式、调整电路元件的尺寸和静态工作电流、挑选合适的操作频率等措施，来提高模拟电路的电源噪声抑制能力（PSRR），而重点又是在开关电源的工作频率即数百千赫兹至数兆赫兹的频段。通过上述三个方面的努力，ATJ2097最终获得了大于90dB的信噪比（不含A-Weight），而且当输出高达14毫瓦功率去驱动16欧姆阻抗的耳机时，THD仍可低至-85dB以下，通道隔离度也高达80dB，全面超出了Hi-Fi音频设备所要求的硬件指标。
另外，提供均衡器的功能，以对音乐进行适度的渲染，也是音频播放器的一个重要功能。一般的均衡器仅能对高频、中频、低频三段频率分别进行调节。而ATJ2097则依据对各声音频段的响应特性，可以分别针对ROCK、POP、CLASSIC、SOFT、JAZZ、DBB等多种风格在20-20千赫兹范围内分7段频段进行调节。同时，它还能提供SRS WOW音效的功能。WOW是一种能显著增强立体声音频播放质量的专利技术。通过这套技术，可以将音场拉宽，展现出更具有空间感的立体声环绕音效和超重低音的震撼效果。
当然，要生产出高品质的音频播放器，还必须要求下游的整机生产厂家合理安排机器内的结构，并严格按照芯片供应商的要求选择芯片外围电路的元器件，并且精心安排PCB的布局和布线。对此，ATJ2097也配套了完整的标准应用方案和设计指南供生产厂家参考。
结束语
目前，便携式音频播放器的市场仍在不断上升，而随着消费者的要求不断提高，以及芯片供应商设计技术的持续提升，未来的便携式播放器将在音质、音效、成本、播放时间、应用领域扩展等方面继续发展，而真正拥有CD音质的音频播放器，以及具有视频播放、游戏、移动电视等功能的多媒体播放器将会越来越普遍。
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