Android智能手机硬件音频架构观察 高通WCD9320篇

天下分久必合，合久必分。在“祖传”海思处理器还叫K3的时候，移动芯片组的集成度很低，处理音频的CODEC自然也是独立芯片，因为当时处理器性能实在太差，甚至还有专门用于多媒体处理器的DSP芯片。

使用华为海思K3处理器的山寨智能手机-ST-Ericsson 5209集成EDGE基带和多媒体功能的ARM处理器

使用华为海思K3处理器的山寨智能手机-RFMD RF3159 GSM天线和音频模组

随着半导体产业的进步，移动处理器移动处理器设计为了高集成度和低成本，往往把音频CODEC集成到PMIC(电源管理IC，类似联发科)；甚至是SoC主芯片中，全志、瑞芯微的ARM等国内厂商的处理器正是这类设计。

高通MSM7200A智能手机硬件结构图[CODEC内置于处理器中]

全志A31处理器架构[来自全志官方网站]

高通的早期处理器MSM6系、7系同样如此，将音频CODEC集成于处理器中，一定程度上节省了外围电路设计，但弊端也非常明显：芯片体积的限制使得音频的硬件DSP功能有限，音频处理更依赖于处理器的运算能力，音乐播放、系统混音等多媒体功能需要处理器频繁介入运算，ARM处理器性能有限导致效果不好而且更为耗电。高集成度对音质同样影响很大，这也是早期高通处理器智能手机平板产品、目前各类国产低价平板芯片组音质恶劣的首要原因。但对于需要快速出产品上市的手机厂商而言，设计方案的便利性很重要，超高集成和完善方案一度占据上风，也是市场表现本不错的TI在联发科、高通面前逐渐落后，直至退出移动市场的原因。

但从ARM处理器走向四核甚至八心八箭开始，情况又出现了变化，在半导体工艺进步幅度有限的时候，市场对移动处理器性能的需求呈爆发式增长，CPU、图形单元占据的面积越来越大，音频CODEC部分因为太碍事而又被高通从SoC中踢出来了。随着高通APQ8064四核处理器的上市，其首个独立音频CODEC芯片WCD9310[代号TABLA，一种手鼓]也逐渐被熟知。虽然经过十余款手机平板的音质测评证明，WCD9310的音质并不算HiFi，在海内外各类IT媒体的眼中这颗小芯片更是毫无存在感。但它对于Android系统技术的进步，特别是音频子系统的进步带来了关键性作用。WCD9310+高通四核处理器带来的核心驱动和硬件设计，一次性解决了被Soomal提出并困扰高通芯片组+Android组合智能手机的难题：系统SRC和硬件SRC问题。

Android4.0 @HTC Sensation XE With Beats Audio[Z715e]智能手机-频率扫描@Winamp

Android4.0 @HTC Sensation XE With Beats Audio[Z715e]智能手机-频率扫描@48kHz

Android SRC问题在3年前还很常见，Soomal的科普也足够多了，为什么要解决SRC问题？音乐是重要的移动应用之一，智能手机的出现就是要替代主流的便携式播放器，智能手机平板没任何理由可把音质做得比百元级别的随身听还要差。动手解决SRC的另一个重要原因则是为了更省电，系统自适应音频采样率播放，仅需要改变一下硬件驱动参数，而常见的44.1kHz和48kHz之间的重采样则是非整数倍的，非整数倍SRC需要一套数学算法实现，无论是系统SRC或硬件SRC，无论算法的简单或复杂，SRC都将意味着暴力的浮点运算，处理器资源和宝贵的电量被消耗在这种毫无意义的工作上。至今某些认为音质对普通人不重要、毫不在乎音质的人或厂商们请注意，只要智能手机不是哑巴，承担着视频、游戏、铃声、通话等音频相关应用都可能会触及SRC问题，这也意味着电池会更快玩完。所以决不是Soomal对此小题大作，麻木和无关紧要的观念才是落后的。虽然Android SRC时至今日也并未能彻底消灭[特此鸣谢瑞芯微、全志、AMLogic们]，但主流的智能手机芯片组已经基本解决此问题。

谷歌 Google Nexus 5智能手机-主板背面

去年高通推出的骁龙800处理器，同样搭配了一颗新型号音频CODEC芯片WCD9320[代号TAIKO，即日本太鼓]。在一周前结束的巴塞罗那世界移动通信大会MWC2014上，高通公布了旗舰级移动处理器的小改款骁龙801，如无意外搭配的CODEC并不会出现变化。相比前一代WCD9310，WCD9320有何技术上的进步和变化？

低功耗播放

功耗控制依然是移动处理器的重点，Assertive Display等技术的集成就是为了在处理器频率提升的时候依然能通过新技术进行省电控制。骁龙800还集成了超低功耗的硬件DSP处理器Hexagon DSP6V5A，搭配新CODEC和Android4.4系统可实现超长时间音乐播放。在使用耳机正常音量的情况下，普通手机音乐播放续航普遍在20小时左右，而Google Nexus 5可达60小时，实测可达到两天水平。这也意味着视频播放、语音通话等音频相关应用同样可以更省电。但是目前除Nexus 5外绝大多数采用骁龙800处理器的手机平板官方固件还未升级至Android4.4版本，因此暂时还无法感受这个优势。

除了省电外，更多的人关心的是新CODEC音质表现，毕竟不是所有手机厂商都愿意使用独立DAC的设计，CODEC素质基本决定了手机的音质表现，少花钱多办事总是好的。

测试项目[44.1kHz]	金立E7	Google Nexus 5	Lumia 1520	索尼L39h
噪声水平, dB (A)	-87.0	-91.7	-90.1	-93.8
动态范围, dB (A)	86.9	92.0	91.0	93.3
总谐波失真, %	0.0057	0.0010	0.0091	0.0032
互调失真, %	0.013	0.0087	0.015	0.0077
立体声分离度, dB	-86.6	-93.4	-91.3	-92.7

从几款手机的实际音质表现来看，高通WCD9320可以有着不错的指标，但缺点也很明显，最大不失真输出电平仅在-20dB的水平，稍微提升一点都会导致严重的失真，耳机输出驱动力和动态必然会受到影响，这或许是“低功耗”带来的相应代价，而其中一个异类则是WP系统的Lumia 1520，它的声音表现和这几款Android手机差异较大，很可能采用了特殊的硬件设计。如果不考虑价格差异，观察上一代联发科与高通芯片组多款手机的竞争，会发现联发科阵营的产品整体音质是不落下风的，是否意味着WCD9320的优势更小？但联发科的集成CODEC方案似乎也存在类似问题，我们会在未来的文章展开说明。

高清音频支持？

在去年有两款发布了采用高通骁龙800处理器的手机LG G2及三星Galaxy Note 3[美版]，均号称支持最高24bit/192kHz采样率的高品质音乐回放。这是否意味着Android系统将会很快全面进化至高清音频平台？Android是一个开放的系统，对于底层音频驱动的修改技术上可行，而硬件CODEC本身支持高采样音频也不是什么难题。但目前Android系统本身尚未支持24bit音频播放，LG和三星恐怕并非通过硬件支持，而是通过软件转码降低采样实现的，当然我们也希望手机厂商在Android高清音频支持上能有实质性突破。

语音通话质量提升

语音通话同样是音频CODEC负责的工作，有不少厂商选择了Audience的语音增强芯片增强通话质量，如MI2S、三星i9500等。但在高通骁龙800处理器的手机产品中多数通话表现普遍更加优异。CODEC硬件算法、驱动优化的进步同样改善了语音通话品质和降噪，Nexus 5、金立E7、索尼Xperia Z1 L39h等型号在通话降噪测试中都有着不错的表现。

总结：

vivo Xplay 3S智能手机 - ESS ES9018K2M DAC

vivo Xplay 3S智能手机 - TI OPA2604AU运放

高通音频硬件架构的发展趋势是好是坏？对音质无所谓的手机用户，减少耗电自然是必要的；而且对于有追求的手机厂商来说，提升耳机输出驱动力和音质也并非无解的难题。以vivo Xplay/Xplay 3S为代表的独立DAC芯片+高级运放最有代表了追求便携和音质的用户需求。也有类似HTC One这样以D类耳机驱动放大的低成本方案，也可获得明显的提升效果。WCD9320带来的技术变化是产品需求的两端变得分明：只挂着CODEC就是图个响，但功耗和通话质量有进步；厂商若要以音质为突破口，则必须花精力认真做好硬件设计而不是只顾着市场宣传。由于手机硬件同质化越来越严重和vivo在一定范围内的成功，在现在和未来必然会有越来越多的国产手机品牌开始重视音质，技术上的竞争对消费者而言是好消息。