探究智能手机音频系统的设计与实现

广东省通讯终端产品质量监督检验中心 李 惠 邱秀凤 邱淋用 黄广斌



探究智能手机音频系统的设计与实现

广东省通讯终端产品质量监督检验中心 李 惠 邱秀凤 邱淋用 黄广斌

【摘要】音频系统在智能手机中具有十分重要的作用，有效的对手机的音频系统进行设计，能够提高手机的性能和声音的品质。通过对手机的麦克风、受话器、音频功放电路等相关的电路设计进行分析，并对手机的后音腔、前音腔、出声孔等相关的影响因素进行探究，分析了出声孔的面积与手机音频系统的低频谐振峰点之间的关系，指出了影响智能手机音频系统的主要因素。

【关键词】智能手机；音频系统；高清声音

智能手机的重要功能就是语音业务的功能，手机语音质量的好坏，起决定作用的是手机音频系统的设计，随着智能手机的功能越来越强大，人们对手机的功能要求也越来越高，智能手机的功能不再局限于传统的语音与短信的功能，还需要为人们提供音乐、视频等娱乐元素的功能，以满足人们生活不断增长的需要。特别是在移动互联网不断发展的情况下，智能手机的音频系统成为人们衡量手机功能、质量好与坏的重要标准之一。

一、音频电路的设计

（1）麦克风电路的设计

麦克风是智能手机的音频系统的输入口，需要具备录音与扩音两大功能。麦克风需要具备良好的性能和噪声抑制的功能，同时它还是一种有源电声元器件，在具体的工作中还需要一定的电源供电。我们选取麦克风的驻极体（ECM）为共达（GETTOP）生产的麦克风作为系统的电声元器件。

在具体的工作过程中，需要在麦克风上加载偏置电压，才能有效的保证电路的正常工作，在电路图中，R3100、R3107、L3100、L3107与C3113组成一个RC滤波电路，实现对麦克风的电路供电，保证麦克风的电压频率在50HZ工频的电压噪声。在组成的滤波电路中，R3100的选择十分重要，要求它的阻值在1～2000欧姆之间，R3100的大小决定了驻极体内部的电压工作区间，只有在其工作的饱和区间才能有效的保证麦克风电路正常的工作。而电路中的可变电阻R3112的主要功能是自动调节麦克风两端的电压，使其电压稳定在2.2伏左右，才能有效的抑制电路中共模信号对音频电路带来的影响。

（2）音频功放电路的设计

音频功放电路的设计直接影响着智能手机扬声器的音频质量，在具体的设计中，需要综合的考虑各个因素，在这里我们选择AB类音频功率放大器NCP2991功率放大器。

通过对功放的稳压电路情况进行分析，可以知道该电路具有如下的电气特性：

1）保证电路的额定输出功率为1.35W；

2）电路的负载动态在4-8欧姆之间；

3）电路的工作电压在2.5-4.5伏之间；

4）电路工作的启动时间为10～30毫秒之间；

5）系统电路采用单端的输出时可以忽略POP噪声。

6）当整个音频电路处于关闭状态时，电路具有超低的电流特性，一般低于10nA。

通过对音频电路的设计，整个电路采用的是VBAT供电模式，单边输入供电的模式对电路进行供电，电路中的C3137作为滤波电容，用于对电路耦合过程中的噪声抑制，R3106与R3102的主要功能是对电路中的增益进行控制和管理。

（3）受话器电路的设计

受话器是智能手机中的重要的电声元器件，它的功能是将音频电信号转换为声频电信号，具有良好的性能，受话器输出的信号主要是基于一个压力场的声信号，因此，对受话器的电路设计十分重要。

受话器电路采用双端差分输入接口，这样可以对两路的信号进行控制，控制器控制器AB3100分别向电路传输两路信号源，其中电容V3103与V3105均为33pF与L3104、L3105形成滤波电路，共同滤除电路中的高频噪声源，将音频的信号干扰降低到最低，V3103的功能是受话器进行保护，防止电路中的静电对受话器造成损伤。

二、手机音腔设计

（1）后声腔的设计

后声腔对智能手机的音质品质影响十分重要，它主要对音频信号的低频信号产生影响，对音频信号的高频影响作用不是十分强烈，而智能手机的音质主要是由低频信号和低频波峰点的频率决定的，波峰点的频率越低，低音效果就越好，手机的低音效果就越好。因此，对手机后声腔的设计，主要以降低音频的低频共振点的频率，加强低频的分量为主，是提高智能手机音质的重要方式。一般情况下，手机的后音腔体积会不断的增大，这时它的低频共振峰点就会随着体积的变大而降低，所得到的声频信号的低频特性也在不断的改善，得到的音质也就比较好，但是，二者之间的关系也不是线性变化的，声信号的低频性能在后声腔的体积增大到某一个范围值时，低频特征就会急剧的下降。

需要说明的是，不同的声音低频信号还是要受到扬声器的性能和特征的影响和扬声器的单体品质的影响，尽管在理想的情况下，在后声腔的设计下安装扬声器，也不一定能够达到单体扬声器的品质，而且不同直径的扬声器的性能和品质对智能手机的音质也影响着声频信号的低频特性。

（2）前声腔的设计

手机音频系统的前声腔对智能手机的音频输出影响也是比较大的，但是，它与后声腔的影响恰好相反，对声频的低频影响不是很大，而是对高频的影响比较大。而且随着前音腔的体积增大，声频的响应曲线的高频共振峰点随着前声腔的体积而增大，二者之间几乎呈线性关系的变化。

前声腔的大小要适中，使得声频系统的总体效果刚好能够满足手机声频输出的要求，但是在具体的设计过程中，需要根据音色的情况，考虑手机出声孔的设计，需要联合对二者进行设计，因为前声腔与出声孔的大小是成正比的，如果需要甜美的声音，采用大声孔就不能满足要求。但是，在具体的设计过程中，如果前声腔体积偏小时，会对手机的声腔造成影响，会增加出声孔对手机高频分量的频率，这样就会给手机的设计带来影响，不利于智能手机的音频的设计。

（3）出声孔的设计

出声孔的大小对智能手机音频影响十分关键，结合音频电路的设计，对手机出声孔的位置、数量和具体的分析和孔之间的间隔进行设计，这样才能有效的保证出声的音质。对手机音频出声孔的设计，需要结合前音腔和后音腔的体积，对其进行设计。前声腔体积越大，出声孔的其他因素对声的高频频频影响就不是十分明显。出声孔的大小对手机的音频曲线的影响十分显著，它影响着手机音频段的所有频段，而且出声孔的位置、数量以及出声孔的间隔也会对音腔频响曲线造成影响。但是，如果出声孔的面积低于某一固定的音阈时，就会使得手机的音频曲线的升压迅速下降，导致手机的声音声强压力变小，导致手机的声音不能满足要求。同样，如果将手机的出声孔的面积设计过大，手机的声频的高低频谐振点都会相应的增大，通过上面的分析可以看出，出声孔的面积过大，对声频的高频段会产生影响，而对低频段影响不大，所以说手机的出声孔的大小主要影响手机声频的高频性能。

三、结束语

智能手机的音频系统的设计需要综合考虑多方面的因素，对手机的麦克风、受话器、耳机、音频功放等电路进行设计，将电路中的增益降低到合适的位置，便于有效的对手机的声音进行控制。通过对手机的扬声器、后音腔、前音腔、出声孔等相关特征进行分析，对手机音频的影响还有对手机声频的谐振曲线进行分析，要能够避免手机声频受到低频的缺失与高频的刺激带来的手机声音失真，影响手机的音质。

参考文献

［1］张佳进，陈立畅，唐爱.基于FT311 D的Android移动设备硬件接口拓展设计［J］.单片机与嵌人式系统应用，2014（3）.

［2］Ericsson AB3100 Analog Baseband Controller datasheet， Ericsson Company INC.，2006.