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智能手机的音频技术介绍

2018年07月12日 17:00 次阅读

手机可以说是现在人日常生活中最离不开的电子设备了。它自诞生以来,从模拟的发展到数字的,从1G发展到目前的4G以及不久将来的5G,从最初的只有唯一的功能(打电话)发展到目前的全功能,从功能机(feature phone)发展到智能机(smart phone),可谓变化巨大。对于手机上的音频来说,刚开始只有语音通信功能,现在不仅语音通信,还可以听音乐、录音、智能语音(语音输入/语音交互)等。智能手机中的音频场景众多,可以说是手机多媒体系统中最复杂的子系统了。今天我们就谈谈Android智能手机上的音频。

先从硬件谈起吧。下图是android智能手机中目前主流的跟音频相关的硬件框图。

智能手机的音频技术介绍

上图中AP是应用处理器(applicaTIon processor),在上面主要运行的是操作系统(OS,例如android)和应用程序。CP是通信处理器(communicaTIon processor),也叫基带处理器(baseband processor,BP)或者modem,上面主要处理跟通信相关的,比如手机信号好不好就跟它相关。Audio DSP,顾名思义,就是一个处理音频的DSP。我在刚做手机的时候就很纳闷现在AP处理器频率那么高,音频处理(尤其是语音)CPU load 不高,AP上完全可以处理,为啥还要额外加一个音频DSP处理音频呢,这不是增加了成本吗?随着做的深入,知道了这主要是出于功耗的考虑。功耗是手机上的一个重要指标,也是过认证的必选项,它决定了手机的续航能力。在手机电池技术没有获得突破的现在,要想续航能力强,就得降功耗。音频中的打电话和听音乐是手机上的最主要功能之一,必须在这两种场景下降功耗。怎么降呢?就是加一块专门处理音频的DSP,在打电话和听音乐时让AP在绝大多数时间都出于sleep状态,这样功耗就降下来了。 AP、CP和audio DSP之间通过IPC(inter-processor communicaTIon)通信,交互控制消息和音频数据。通常AP、CP和audio DSP(当然还包括其他功能的处理器)集成在一个芯片内,形成一个SOC(system on chip,片上系统)。此外有一个主要用于音频采集和播放的硬件codec芯片,它受AP控制(使能以及选择不同音频路径等,主要是配置寄存器),与audio DSP通过I2S总线交换音频数据。连着硬件codec的是各种外设,有MIC(现在主流的是双MIC方案)、earpiece(听筒)、speaker(扬声器)、有线耳机(有三段式四段式两种,三段式没有MIC功能,四段式有)等。但是蓝牙耳机比较特殊,它是直接通过I2S总线与audio DSP连接的,主要是因为音频的采集和播放在蓝牙芯片里都有了。当用蓝牙耳机听音乐时,音频码流在AP上解码成PCM数据用A2DP协议经过UART直接送给蓝牙耳机播放,而不是经过audio DSP通过IIS总线送给蓝牙耳机播放。

再来看软件。音频相关的软件在三个处理器(AP/CP/audio DSP)上都有,先看AP上的音频软件。本文讲的是Android智能手机上的音频,运行的当然就是Android系统了,Android系统就运行在AP上。Android里有mulTImedia framework,audio是其中的一部分,AP上audio部分的软件框图如下:

智能手机的音频技术介绍

Android音频软件分不同的层,主要有kernel/user/Framework/JNI/Java。从底层kernel向上讲吧。Android的核用的是Linux的。Linux上音频相关的子系统叫ALSA,包括kernel space和user space两部分。Kernel space里是音频驱动,user space里主要是提供API给应用程序调用。Android的音频驱动跟Linux是一样的,在user space里对ALSA进行了裁剪形成了tinyalsa。关于这些我在前面的文章( 音频的采集和播放)里简单描述过,有兴趣可以去看看。同时user space里还有音频软件编解码的各种库,包括音乐的(MP3/AAC等)和语音的(AMR-NB/AMR-WB等)。再向上就是Framework,里面模块众多,主要有NuPlayer/stageFright Record/openMAX/AudioFlinger等,网上讲audio Framework的文章太多了,这里就不细讲了。Auido HAL(Hardware Adapter Layer,硬件适配层)也在这一层。Framework上层是JNI(Java Native Interface),提供接口供Java调用,提供的接口主要有MediaRecorder/MediaPlayer/AudioTrack/AudioRecorder。最上层是Java层,也就是各种带有音频功能的APP(调用提供的API)了。

再看audio DSP上的音频软件。下图是audio的软件框图:

智能手机的音频技术介绍

从上图看出,模块主要有codec(MP3/AAC/AMR/EVS等)、前处理(AGC/ANS/AGC等)、后处理(EQ/AGC/ANS 等)、重采样(SRC)、混音(MIX)、从DMA获取采集到的音频数据(CAPTURE)、将音频数据送给DMA后播放(PLAY)等,当然还有接收和发送给其他处理器的音频数据处理等,AP和CP都要与audio DSP交互语音数据。

最后看CP上的音频软件,它上面处理的就是跟语音通信相关的。2/3G跟4G完全处理完全不一样(2/3G是CS call,会有专用的信道处理语音。4G是一个纯IP的网络,是PS call),会有两套处理机制。我没做过CP上的音频处理(我主要做audio DSP上的音频处理,偶尔做些AP上的音频处理),对2/3G下的语音处理不熟悉,对4G下的语音处理了解。下图是4G下的音频软件处理框图:

智能手机的音频技术介绍

主要分两大部分,IMS stub,处理IMS(IP Multimedia Subsystem, IP多媒体子系统)中的语音数据相关的(IMS 控制协议相关的在AP中处理)。Audio,对IMS中语音数据的pack/unpack以及与audio DSP的交互等。

智能手机中音频场景众多,有些场景中三个处理器中的音频软件都会涉及,比如打电话,AP上主要是处理一些控制上的逻辑,CP和audio DSP上不仅有控制逻辑,还有语音数据的处理,上行是先从MIC采集到语音经Audio DSP处理后变成码流发给CP,CP处理后经过空口发到网络上,下行是CP从空口拿语音码流,处理后发给audio DSP,audio DSP再解码后发给codec芯片直到外设播放出来。有些场景只涉及部分处理器中的音频软件,比如在播放音乐时CP上的音频软件就不会涉及,在用APP播放音乐时,是音乐从AP上传到audio DSP上,经过相关处理后通过外设播放出来。在下一篇文章中我会详细的描述在各种音频场景中音频数据的流向。

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LG智能手写笔申请专利,将手机做成笔状

韩国研究团队开发成功了应用于显示屏前部的透明指纹...

Park Jangwoong-Byun Youngjae研究团队为了提高透明电极的传导度,结合了银纳...

发表于 2018-07-09 16:16 303次阅读
韩国研究团队开发成功了应用于显示屏前部的透明指纹...

诠鼎推出Toshiba关于智能手机和手持式应用装...

大联大旗下诠鼎集团推出Toshiba相关于智能手机和其他手持式应用装置的完整解决方案。

发表于 2018-07-09 16:11 349次阅读
诠鼎推出Toshiba关于智能手机和手持式应用装...

华勤东莞松山湖研发中心开园,可容纳研发人员300...

国内品牌手机厂商份额正在加速集中,也带动了背后的手机ODM厂商集中。数据显示,目前国内智能手机ODM...

发表于 2018-07-09 16:06 278次阅读
华勤东莞松山湖研发中心开园,可容纳研发人员300...

盘点历年索尼移动手机黑科技 索尼大法好!

看完了索尼手机的黑科技,不禁让人对它肃然起敬,再看看索尼的财报,却发现索尼的移动业务是个坑。

发表于 2018-07-09 15:56 742次阅读
盘点历年索尼移动手机黑科技 索尼大法好!

陶氏有机硅:重新定义消费电子散热

作为一个快速发展变化的产业,以智能手机为代表的全球消费电子行业正随着AI、AR等全新技术的出现,在硬...

发表于 2018-07-09 15:47 244次阅读
陶氏有机硅:重新定义消费电子散热

和辉光电首批柔性AMOLED手机屏量产,智能手机...

7月2日上午,上海研制生产的首批5.5吋全高清固定曲面柔性AMOLED手机屏,在位于金山区的和辉光电...

发表于 2018-07-09 15:36 426次阅读
和辉光电首批柔性AMOLED手机屏量产,智能手机...

诺基亚X5将在7月11日正式发布,预计售价不会超...

作为全球最大的智能手机市场,中国一直被各国智能手机厂商视为“遍地黄金”,所以诸如索尼、LG等外来老牌...

发表于 2018-07-09 15:15 264次阅读
诺基亚X5将在7月11日正式发布,预计售价不会超...

黑莓向中国等亚洲国家授权品牌,主动避开激烈的市场...

黑莓CEO程守宗周三表示,该公司计划将智能手机开发和生产外包,从而避开激烈的市场竞争,专注于更具吸...

发表于 2018-07-09 14:47 130次阅读
黑莓向中国等亚洲国家授权品牌,主动避开激烈的市场...

苹果会用专利保护自己的同时,也必然受到专利的诉讼

以销量来看,苹果旗舰机在全球前10大手机中占比超过36%,而三星手机接近24%。在高端市场,两者已经...

发表于 2018-07-09 11:36 798次阅读
苹果会用专利保护自己的同时,也必然受到专利的诉讼

国产手机势头迅猛,占据全球畅销榜半壁江山

苹果依靠其大力宣传助自己重返畅销榜榜首,国产机势头也依然不落下风。

发表于 2018-07-09 11:29 653次阅读
国产手机势头迅猛,占据全球畅销榜半壁江山

我国大陆PCB产业的发展状况,和产业链的详细概述

智能手机和汽车电子推动全球PCB产值稳步增长:全球PCB产业已步入平稳增长期,寻求新的增长点是行业发...

发表于 2018-07-09 08:43 579次阅读
我国大陆PCB产业的发展状况,和产业链的详细概述

小米6X和红米6 Pro对比分析,看看两者之间到...

今年上半年,小米发布的千元机众多,并且差异化并不明显,以至于不少米粉在购机的时候,经常会纠结于到底...

发表于 2018-07-08 12:15 637次阅读
小米6X和红米6 Pro对比分析,看看两者之间到...

小米MAX3:6.9英寸大屏幕,或将7月推出

Max系列是小米推出的大屏系列手机。按照产品迭代,小米将在今年推出Max系列第三代产品Max 3。...

发表于 2018-07-08 11:52 267次阅读
小米MAX3:6.9英寸大屏幕,或将7月推出

安卓智能手机市场竞争激烈,三星或应更关注市场份额

三星在2012年击败霸占全球手机市场第一位的诺基亚,其时它通过采用类似诺基亚的机海战术推出款式繁多的...

发表于 2018-07-08 10:28 589次阅读
安卓智能手机市场竞争激烈,三星或应更关注市场份额

市场份额正逐渐往大品牌集中,魅族需要提升出货量

2017年四季度起中国智能手机市场遭遇寒流,今年一季度中国智能手机市场的出货量同比下滑幅度扩大至超过...

发表于 2018-07-08 10:25 693次阅读
市场份额正逐渐往大品牌集中,魅族需要提升出货量

中国手机企业与苹果和三星依然有较大的差距

据counterpoint发布的5月份全球热销手机排行榜TOP10显示,销量排名分别位居第一、第二、...

发表于 2018-07-08 10:20 1277次阅读
中国手机企业与苹果和三星依然有较大的差距

以智能手机为入口的智能家居系统能够带来更贴心和人...

由Studio Binary Banana开发的智能家居AR操作平台Smart AR Home,用可...

发表于 2018-07-08 10:12 320次阅读
以智能手机为入口的智能家居系统能够带来更贴心和人...

中兴与Maxell的专利纠纷,华为也曾遭Maxe...

类似的做法也发生在华为与Unwired Planet International 公司之间的专利诉讼...

发表于 2018-07-08 09:27 547次阅读
中兴与Maxell的专利纠纷,华为也曾遭Maxe...

BCG发布《2018年全球最具创新力企业50强》...

波士顿咨询公司(BCG)近日发布《2018年全球最具创新力企业50强》榜单(The Most Inn...

发表于 2018-07-07 10:52 784次阅读
BCG发布《2018年全球最具创新力企业50强》...

Bird完成3亿美元融资,估值超20亿美元

6月29日,Bird宣布完成3亿美元的融资,本轮融资由红杉资本领投,Accel、B Capital、...

发表于 2018-07-07 09:15 710次阅读
Bird完成3亿美元融资,估值超20亿美元

麦克风阵列音频信号进行数字化设计

发表于 2018-06-25 10:10 356次阅读
麦克风阵列音频信号进行数字化设计

用手机 电脑 触摸IC 供应AKS3603触摸控制器IC

发表于 2018-06-12 18:10 136次阅读
用手机 电脑 触摸IC   供应AKS3603触摸控制器IC

硬件工程师的心态战战兢兢如履薄冰-燚智能周教授讲智能硬件开发

发表于 2017-11-24 09:31 1226次阅读
硬件工程师的心态战战兢兢如履薄冰-燚智能周教授讲智能硬件开发

智能家居领域的出路在何方——转自今日头条

发表于 2017-11-14 14:43 1302次阅读
智能家居领域的出路在何方——转自今日头条

华为员工:看完苹果发布会 压力不大了,何以见得?

发表于 2017-09-14 16:16 930次阅读
华为员工:看完苹果发布会 压力不大了,何以见得?

5G智能手机将在2019年商业化 几年内4G仍是市场主流

发表于 2017-08-15 11:46 708次阅读
5G智能手机将在2019年商业化 几年内4G仍是市场主流

快充技术的普及开始成为一种必然的趋势

发表于 2017-08-14 15:11 794次阅读
快充技术的普及开始成为一种必然的趋势

在大环境乏力情况下,华为手机何以能呈现出逆势上扬的态势?

发表于 2017-07-17 15:29 545次阅读
在大环境乏力情况下,华为手机何以能呈现出逆势上扬的态势?

全面屏设计的手机已然成为智能手机发展的重要趋势

发表于 2017-07-10 11:36 791次阅读
全面屏设计的手机已然成为智能手机发展的重要趋势

2.5A的单节锂电开关型充电IC-ETA6002

发表于 2017-06-28 20:42 728次阅读
2.5A的单节锂电开关型充电IC-ETA6002