智能手机中的音频设计

当手机不断地整合包括照相、游戏、数据、视频等各种功能于一身时，它已摇身变成一个多媒体应用的播放平台，可说是朝细致而微的随身型迷你计算机发展。在定位上，这样的手机有别于既有的纯粹语音的手机(Voice phone)或具备某些功能的手机(Feature phone)，而当属于智能型手机(Smart phone)。
智能型手机除了具有较强的数据编辑管理能力，更能提供音、视频、游戏等多媒体应用服务，也能同时处理多项工作。更进一步来看，它的功能面涵盖了通信、信息与多媒体功能，即：
1. 通信功能：语音、讯息(messaging)、认证(Authentication)、计费(Billing)等等通信处理功能;
2. 信息功能：Email、行事历、信息管理、Sync、安全性等信息处理功能;
3. 多媒体功能：视频、照相、游戏、TV、串流、音乐、DRM等多媒体应用功能;
除了信息功能外，在通信与多媒体的应用上，音频是必要的处理任务。在过去，手机只需要处理单纯的语音通话信号，但今日的智能型手机中得处理的音频任务繁重，除了多音调振铃、MP3音乐外，可能还要有FM广播及游戏音效，而且不能只是单声道的效果，现在要求的是立体声的临场感体验。
过去，数字音频的世界是截然两分的：一边是Hi-Fi的世界，另一边则是语音的世界。一般而言，Hi-Fi是指16bit立体声质量、以44.1kHz取样的音频，也就是CD音乐的规格;电话语音则是8bit和8kHz的单声道(mono)、低质量音频。不过，进入智能型手机的时代，两个音频世界开始撞击在一起了，如何将音频子系统完善地与应用及通信处理平台整合在一起，就成了便携式设备工程师开发新产品时的关键性挑战。

音频编码格式与接口
在进入系统架构的探讨前，先来看看音频编码的现状。目前音频编码的格式繁多，针对声音的编码就有PCM、ADPCM、DM、PWM、WMA、OGG、 AMR、ACC、MP3Pro以及MP3等;针对人类语音有LPC、CELP与ACELP等;其它还有MPEG-2、MPEG-4、H.264、VC-1 等视听节目的编码格式。
以下介绍三种常用的音频格式：
AMR格式
AMR为自适应多码率语音传输编译码器(Adpative Multi-Rate Speech Codec)，最初版是欧洲电信标准化协会(ETSI)为GMS系统所制定的语音编译码标准，而因频宽又分为两种—AMR-NB(AMR Narrowband)和AMR-WB(AMR Wideband)。以市场最大品牌Nokia来说，其多数手机都支持上述两种格式的音频文件。
MP3格式
MP3是MPEG AudioLayer3的缩写，这是一种音频压缩技术，其编码具有10:1-12:1的高压缩率，可以保持低频部分不失真，但牺牲了音频中12KHz -16KHz的高频部份来降低文件大小，其“.mp3”格式文件一般只有“.wav”的10%。另外，MP3受到欢迎的一大原因，是它并非受到版权保护的技术，所以任何人都可以使用。
MP3格式压缩音乐的取样频率有很多种，可以用64kbps或更低的编码来节省空间，亦可以用到 320kbps达到极高的压缩音质。MP3在编码速率上，又分为"CBR"(固定编码)，与及“VBR”(可变码率)技术，有些手机无法播放下载来的音乐，正是因为没有支持“VBR”格式的MP3音乐。
AAC格式
AAC即高级音频编码(Advanced Audio Coding)，它采用的运算方式是与MP3不同，AAC可以同时支持多达48个音轨、15个低频音轨、更多种取样率和传输率、具有多种言语的兼容能力，以及更高的解码效率。总结来说，AAC可以在比MP3格式再缩小30%的条件下提供更好的音质，而且声音保真度好，更接近原音，所以被手机界视为是最佳的音频编码格式。AAC是一个大家族，他们是共分为9种规格，以适应不同场合的需要：
(1) MPEG-2AAC LC 低复杂度规格 (Low Complexity)
(2) MPEG-2 AAC Main 主规格
(3) MPEG-2 AAC SSR 可变取样率规格 (Scaleable Sample Rate)
(4) MPEG-4 AAC LC低复杂度规格(LowComplexity)，现在的手机比较常见的MP4档中的音频部份就包括了该规格音频文件
(5) MPEG-4AAC Main 主规格
(6) MPEG-4 AAC SSR 可变取样率规格 (Scaleable Sample Rate)
(7) MPEG-4 AAC LTP长时期预测规格(Long Term Prediction)
(8) MPEG-4 AAC LD低延迟规格(Low Delay)
(9) MPEG-4 AAC HE高效率规格(High Efficiency
上述的规格中，主规格(Main)包含了增益控制以外的全部功能，其音质是最好，而低复杂度规格(LC)则是比较简单，没有了增益控制，但提高了编码效率，至于SSR与LC规格大致相同，但是多了增益的控制功能，另外，LTP/LD/HE都是用在低码率下的编码，其中HE采用NeroACC编码器支持，是近来常用的一种编码率方式。不过一般来说，Main规格和LC规格的音质相差不大，因此考虑手机目前的内存仍有限的情况下，目前使用最多的AAC规格是 LC规格。