无破音(NCN)技术---软件实现(一)

    最近在老杳吧上看到了最近MINI公司榜，关注了一下“上海艾为电子技术有限公司”，在网上观看相关新闻，看到了这篇文章，上海艾为电子技术有限公司推出一款芯片来从硬件方面解决不同音乐切换音量跳变的现象。我想这种技术软实现也很简单(Dolby就有这种技术)，为什么还要专用的器件来做。在这在转载这文章，到时细读一下，进而就这方面的软实现展开讨论。

 

根据iSuppli公司的预测，在2009年，全球在Feature phones（多功能手机）和Smart phones（智能手机）的出货量将超过10亿部，占所有手机出货量的80%以上。在目前中国手机市场上,Feature Phone和Smart Phone的发展也是最为迅速的。在这些手机中，用于音乐播放的手机扬声器已经是一个标准配置了，可以说现在大部分的手机都是音乐手机。

       “想唱就唱，唱得响亮”是对音乐手机的要求，但手机用户经常会碰到这样的情况：从网上下载的 自己中意的mp3歌曲，音量大小参差不齐，听某一首歌曲时觉得声音较小，但音量调高后，在听下一首歌时有发现音量太大，出现了破音，音质变差的情况，频繁 的调整音量，很麻烦，很头疼。另外，一般的手机用户也喜欢比较大音量长时间的播放音乐，但是由于输出功率过高，扬声器超载，长时间使用，很容易损坏扬声 器，造成手机返修率过高。这两个问题也是手机基带设计工程师所关注的问题，在设计音频模块时，经常要反复的调试音频功放的增益，又希望音量大，又希望不出 现破音。有没有更好的手段来解决这两个问题？有！下面重点介绍一种无破音（NCN：Non-Crack Noise）技术，可以有效地解决手机音频系统中这两个难缠的问题，让基带工程师无须耗费太多精力，所设计的手机轻松达到“想唱就唱，唱得响亮”的目的。

       为什么需要无破音（NCN）功能

        在一首歌曲中，有的时段声音大，有的时段声音小，最大声音到最小声音的范围是这首歌曲的动态范围（Dynamic Range），一般歌曲的动态范围在40-60dB。下图是一首普通mp3歌曲的波形曲线。       

        对不同的音乐文件，如mp3，音量大小也会有很大的差别，有的mp3音量大，有的音乐音量 小。但是手机用户在播放音乐的时候，通常喜欢增大音量来表现自己的手机够“酷”够“炫”。但是，音量的增加其实受到了电池电压和扬声器、音腔的约束，都会 有一个最大的不破音输出幅度，超过了这个幅度就会产生削波失真。比如说，当手机电池充满电时，电池电压是4.2～4.3V，这时就可以播放出比较大的音 量，当手机使用了一段时间，电池电压下降到3.6V，那么能播出的最大音量也会相应下降，如果仍然使用4.2V时的音量设置，在3.6V的时候就会破音失 真，这是电学方面的影响。另外手机中使用的扬声器的直径、动态范围、频响特性，音腔设计，也对最终音质有较大的影响，即便电信号足够大，但是声电转换环节 效率不高，也会影响最终的音量以及音色。
将上面的音乐放大，如下图所示：为了避免削波失真，小声音放不大，和背景噪音混在一起听不清楚；要听到小的声音，将音量加大，大的声音就发生削波失真，产生破音，而且信号削波后会产生大量谐波，对扬声器造成很大的冲击，很容易损坏扬声器单元。

       由上可以看出，用手机播放音乐的时候，通过简单的音量调节很难在小声音和大声音之间折衷。这时就需要使用无破音（NCN）技术，在音量增大的时候，大声音也不会超过最大的不失真幅度。如下图所示，上面的音乐经过无破音（NCN）处理后，做到了“大而不破”。

 
       无破音（NCN）功能的实现

       无破音（NCN）功能采用的是专业音响系统中的压缩/限幅技术(Compression & limiting)，有门限阈值、启动时间和释放时间等重要参数。

       门限阈值（Threshold）：启动无破音（NCN）功能的阈值电压大小，就是系统所允许的最大不失真输出幅度。

       启动时间（Attack Time）：从检测的信号超过阈值电压后，到压缩功能全部展开的时间。启动时间很大程度上取决于被处理声音信号的种类和希望得到的特点：短的启动时间通常 使声音“圆润”，很快就可以使声音进入完全的压缩状态；长的启动时间可以较好地反映悠长、缓慢变化的信号。典型的启动时间范围是1ms～100ms。

       释放时间（Release Time）：与启动时间相反，释放时间是检测信号低于阈值电压时，压缩功能完全释放的时间。与启动时间一样，释放时间的选择也取决于被处理声音信号的种类 和希望得到的特点：短的释放时间可以很好地响应快速变化的声音信号，比如急促的枪炮声和尖锐短暂的报警声；长的释放时间会使声音平滑，柔和。典型的释放时 间范围是20ms～5s。

       下面是不同参数设定情况下的时序特点：

       通过上面对无破音（NCN）功能的分析，可以看出通过使用无破音（NCN）功能:
       1. 调整了音乐的动态范围，使大的信号不会削波失真，小的信号可以得到充分的放大，提高了整体音乐的音量，实现了“大而不破”的听音感受。
       2. 限制了声音中的尖峰信号，保护扬声器不被损坏，大大减小了由于扬声器损坏所引起的手机返修率。

       从上面可以看出，无破音（NCN）功能对提升手机的音量、音质非常具有诱惑力，但无破音 （NCN）功能对音响处理的专业性要求比较强。上海艾为电子（AWINIC）通过对音乐文件和手机上扬声器的特点深入地分析，采用独有的、拥有专利的无破 音（NCN）技术将合适的门限阈值，启动时间，释放时间等重要参数完全设计在音频功率放大器内部，让手机音频设计更为简易，加快了手机的上市时间。

       一直以来，音乐手机总是按照MP3播放器的标准要求自己，但电力续航是音乐手机永远的痛。电 话，大屏，GPS，上网等繁多的功能已经让手机电池的续航能力颇感头痛，而音乐播放功能更是让电力续航捉襟见肘，因此高效率、低功耗的D类放大器越来越受 到欢迎。根据市场调研机构 Gartner的报告，Class D放大器在2006年至2011年之间的复合年成长率将达15.6%，从3.34亿美元成长至6.88亿美元。主要的成长动力来自便携式装置及空间受限的 消费类电子产品。

       上海艾为电子(AWINIC)的AW8145等一系列音频功率放大器，顺应了手机的发展趋势，将D类放大器和无破音（NCN）功能结合起来，延长了手机的音乐播放时间，轻松做到播放音乐时音量大、无破音，并且显著地降低了由扬声器损坏所引起的手机返修率。

      

     (作者简介：张振浩   上海艾为电子技术有限公司  项目经理 )