打造真无线健身耳穿戴设备—第 2 部分：音频处理

编者按：健身耳穿戴设备尽管有巨大的潜力，但需要解决三个关键方面的重大设计挑战：生物测量、音频处理和无线充电。本系列包括三篇文章，将逐一探讨每项挑战，并向开发人员展示如何利用超低功耗器件来更有效地打造健身耳穿戴设备。第 1 部分介绍了心率和 SpO₂ 的生物测量。本文是第 2 部分，介绍了音频处理。第 3 部分将讨论用于健身耳穿戴设备设计的无线充电和电源管理解决方案。

如第 1 部分所述，入耳式智能无线音频耳塞（又称为真无线耳穿戴设备）已成为流行的音频播放设备，尤其是在耳机线可能会妨碍运动或设备的健身活动中。开发人员通过向这些设计中添加健康指标测量功能，便可以打造能够同时播放音频和传递健康数据的“健身耳穿戴设备”。

虽然增加生物测量功能是一项令人兴奋的发展，但设计人员也不能忽视耳穿戴设备的核心功能：高品质的音频播放。现在的问题是如何保持高品质的音频播放，同时又在如此小巧的外形中新增功能并提供令人满意的电池寿命。

本文将讨论音频编解码器和处理器的作用，并概述耳穿戴设备音频系统架构的核心元件。然后，本文将介绍来自 Maxim Integrated 的先进音频编解码器，并展示设计人员如何使用该器件以小巧的外形尺寸满足用户对高音质的期望，同时延长电池寿命。

音频编解码器和处理器

在高性能音频设计中，多来年一直采用音频编解码器和专用音频处理器。每种器件都结合了完整信号链，以用于对视频信号进行采样、转换和调节。编解码器（源自编码器-解码器）通常将其功能限制为使用硬连线固件进行音频信号编码和解码，而音频处理器通常围绕可编程数字信号处理器 (DSP) 来构建此功能。随着具有硬连线功能的可重新编程编解码器和音频处理器的出现，这些产品类别之间的界限越来越模糊。无论哪种情况，开发人员都可以找到功能强大的音频信号处理器件，能够满足最挑剔音乐发烧友的需求。

小型入耳式音频耳机或耳塞的广受欢迎度进一步推动这些音频信号处理器件的发展，目标是在芯片上提供完整的音频子系统。这些器件整合无线通信和无线充电技术，可为真无线耳塞打下坚实基础，从而能够为用户提供非常丰富的声音，同时摆脱耳机线的束缚。

耳穿戴设备的演变

与更为传统的有线耳塞不同，真无线耳塞大幅扩大了开发人员所面临的挑战。这些产品必须满足音乐爱好者对音频性能的需求，同时还要满足移动用户对便利性和实用性的期望。因此，设计必须提供出色的音质和整体功能，同时还必须提供最小的外形和最长的电池寿命。幸运的是，开发人员可以找到各种能够满足这一系列要求的音频编解码器和音频处理器。

所谓的智能耳塞或耳穿戴设备，代表了真无线耳塞的自然发展。除了其他高级功能之外，耳穿戴设备还添加了用于生物测量、运动检测的传感器，以及旨在增强用户健康和环境认知能力的其他功能。

尽管功能复杂，但健身耳穿戴设备的设计可在硬件平台上构建，这些平台包含专门为这些低功耗应用而设计的现成片上系统 (SoC) 器件。如本系列第 1 部分所述，Maxim Integrated 的 MAXM86161 生物传感器提供了这些产品所需的所有生物测量功能。同样，Maxim Integrated 的 MAX98090 音频编解码器提供了完整的音频子系统，能够支持新兴健身耳穿戴设备设计所采用的各种音频功能。通过使用这些器件，再加上蓝牙 (BT) 射频 (RF) 控制器和电源管理集成电路 (PMIC)，开发人员可以实现先进健身耳穿戴设备设计底层的硬件基础（图 1）。

图 1：健身耳穿戴设备通过生物传感功能扩展了真无线音频耳塞的能力，但同样面临着高音质播放和延长电池寿命的要求。（图片来源：DigiKey，基于 Maxim Integrated 的原始资料）

全面的音频子系统

MAX98090 音频编解码器专为移动应用而设计，兼具超低功耗性能和高度可配置的音频信号处理功能。不同的模拟和数字输入组合可用于馈送给处于设备核心的 Maxim Integrated FlexSound 数字信号处理器 (DSP)。反过来，该设备可将经过 FlexSound 转换的音频传递到针对不同类型扬声器优化的单独输出信号路径（图 2）。

图 2：Maxim Integrated 的 MAX98090 音频编解码器专为入耳式可穿戴设备设计，集成了一整套输入、输出和处理功能，以提供完整的音频子系统，能够满足耳穿戴设备的功耗和尺寸限制。（图片来源：Maxim Integrated）

MAX98090 数字音频接口 (DAI) 子系统支持以多种标准脉冲编码调制 (PCM) 格式进行采样，采样率范围从 8 kHz 语音音频到 96 kHz 高分辨率音频。在典型的设计中，数字音频输入将直接从来源传递到 DAI 子系统。对于模拟信号源，MAX98090 提供了多通道模拟前端，其包含输入多路复用器、混频器、前置放大器和可编程增益放大器 (PGA)。模拟和数字输入都连接到单独的左右声道混频器，每个混频器馈送至专用的模数转换器 (ADC)。ADC 左右声道的输出依次传入 DAI 子系统，该子系统最终将数字音频提供给 FlexSound DSP 核心。

DSP 核心提供了音频播放产品所需的但传统音频编解码器通常不支持的基本信号处理功能。用户希望他们的入耳式可穿戴设备提供足够的音量，以克服嘈杂环境（例如健身房）的影响，同时仍在所有音量水平下提供干净的音频信号。MAX98090 的 FlexSound DSP 核心通过包含多级的播放子系统来满足这些要求，其中包括一个独立的七频段参数均衡器、自动电平控制 (ALC) 以及用于左右声道的多个滤波器（图 3）。

图 3：作为 Maxim Integrated 的 MAX98090 音频编解码器的心脏，该公司的 FlexSound DSP 核心提供专用的多级路径，用于处理独立的左右音频声道。（图片来源：Maxim Integrated）

这些功能提供了高度灵活的音频处理功能，能够满足每项应用的各种要求。例如，除了七频段模式外，均衡器还支持三频段或五频段操作，这在具有更简单用户界面的产品中可能需要。同样，ALC 集成了可编程动态范围控制 (DRC) 功能，能够防止高端的音频信号切断和低端的背景噪声放大。为了清理数字音频数据，该器件的数字滤波器组包括一个用于音乐和高速率音频的有限脉冲响应 (FIR) 滤波器，以及一个用于 8 kHz 或 16 kHz 语音应用的无限脉冲响应 (IIR) 滤波器。此外，FIR 音乐和 IIR 语音滤波器中可包含一个直流阻塞高通滤波器级，以衰减低频声音。

在 DSP 核心的输出端，一个专用于左右声道的数模转换器 (DAC) 将产生的模拟信号传递至 MAX98090 的输出混频器。与输入子系统一样，MAX98090 集成了 D 类扬声器输出驱动器、H 类耳机输出驱动器和可配置的 AB 类驱动器，因此支持多种音频输出配置和扬声器类型。对于每种输出类型，开发人员只需设置关联的寄存器即可配置 MAX98090，以将立体声或单声道输出从左或右声道驱动至适合其各自设计的输出驱动器。

增强的低功耗耳穿戴设备

对于健身耳穿戴产品，开发人员通常会将 MAX98090 配置为使用其 H 类耳机输出来驱动微型扬声器，或新兴的微机电系统 (MEMS) 扬声器，例如专门为入耳式应用开发的 Usound UT-P 2017。在健身耳穿戴设备中，数字音频将通过蓝牙连接直接流传输至 MAX98090 的数字音频输入子系统。因此，开发人员可以通过将 MAX98090 配置为绕过耳机子系统的内置混频器来节省功耗，这是因为基本配置中不需要模拟和线路输入选项（图 4）。

图 4：对于音频耳塞等播放设备，Maxim Integrated 的 MAX98090 音频编解码器可以在低功耗配置下运行，将数字音频直接流传输至该器件的集成耳机输出子系统。（图片来源：Maxim Integrated）

在这种配置下，MAX98090 的功耗仅为约 6 毫瓦 (mW)。为了进一步降低功耗，可以将 MAX98090 耳机输出子系统配置为在特殊的低功耗模式下工作，从而将功耗降至约 3.85 mW。

为了满足入耳式可穿戴设备通常有限的功耗预算，开发人员还可以有选择地禁用 MAX98090 中的各个输入和输出块。在空闲期间，可以通过编程方式将器件置于关断模式，功耗仅为几微安。在这种模式下，器件的 I²C 串行接口保持活动状态，从而允许开发人员通过在关断寄存器中设置一个位来加载新配置，然后再重新启动器件。此时，器件仅需 10 毫秒 (ms) 即可恢复完全活动模式，为用户提供近乎即时的体验。

对于健身耳穿戴设备系统设计，开发人员可通过 MAX98090 的 I²C 串行接口将其连接至具有蓝牙功能的超低功耗微控制器，如 ON Semiconductor 的 RSL10（请参见“快速部署电池供电型蓝牙 5 认证多传感器物联网设备”）。MAX98090 集成了完整的输入、处理和输出模块，这意味着只需添加几个元器件即可完成该系统的集成（图 5）。

图 5：开发人员仅需添加几个元器件即可实现 Maxim Integrated 的 MAX98090 音频编解码器硬件接口设计。（图片来源：Maxim Integrated）

只需付出最小的努力，就可增强上述基本播放设计，以支持其他功能，例如将音频输入用于蓝牙连接的语音助手接口或手机通话。为了捕捉用户的声音，这种设计可能使用低功耗驻极体麦克风，例如 Knowles 的 FG 系列 50 微安 (μA) 麦克风；或是 MEMS 模拟麦克风，例如 TDK InvenSense 的 25 μA ICS-40310 或 Vesper Technologies 的 5 μA VM1010。

通过一些其他的寄存器设置，开发人员可以配置 MAX98090 以视情况接受来自这些模拟麦克风或数字麦克风的声音输入。独立的模拟和数字麦克风输入级为模拟信号调节或数字控制提供了必要的前端级（图 6）。

图 6：Maxim Integrated 的 MAX98090 音频编解码器提供完整的模拟前端 (A) 和数字接口 (B)，分别用于连接模拟和数字麦克风。（图片来源：Maxim Integrated）

在输入级之后，数字化的数据流进入 FlexSound DSP 核心的独立录制子系统，该子系统位于前述 DSP 播放子系统之前。与其播放功能一样，录制功能提供了多个顺序处理级。在这种情况下，处理过程由一组数字滤波器构成，包括 IIR 语音滤波器、FIR 音乐滤波器和 DC 阻塞滤波器（图 7）。

图 7：除了支持模拟和数字输入，Maxim Integrated 的 MAX98090 音频编解码器还在该公司的 FlexSound DSP 核心内包括一个多级录制路径。（图片来源：Maxim Integrated）

随后，DSP 播放系统将该录制的侧音与主要的数字音频音乐流进行组合，以进一步处理并将其传送至 MAX98090 输出子系统。

总结

真无线健身耳穿戴设备需要能够提供丰富的功能以满足用户对最新功能的期望，同时还需要在严格的功耗和尺寸限制下工作。针对音频播放，Maxim Integrated 的 MAX98090 音频编解码器将模拟和数字输入和输出子系统与先进的音频数字信号处理器相结合，以提供健身耳穿戴设备设计所需要的全面音频功能。如本文所示，通过将 MAX98090 与经过类似优化的 SoC 器件一起使用，开发人员可以为先进的健身耳穿戴设备构建灵活的硬件基础。