Audio DSP: Hvordan det fungerer, hvad det gør, og hvordan printkortet bagved det bygges

De støjreducerende hovedtelefoner, der får en flykabine til at forsvinde, høreapparatet, der kan skelne en stemme fra baggrundsstøj i en overfyldt restaurant, hjemmebiografreceiveren, der knytter fem lydkanaler til elleve højttalere i et rum, den aldrig har hørt før - det er alt sammen audio DSP i aktion. Digital signalbehandling til lyd har eksisteret siden begyndelsen af ​​1980'erne, men det, der har ændret sig, er, hvor den dukker op. Det, der engang var begrænset til professionelle lydstudier og broadcastfaciliteter, kører nu på chips, der koster et par dollars, inde i produkter, som millioner af mennesker bruger hver dag. Processorkraften og sofistikeringen af ​​algoritmerne er vokset enormt; de printkort, der er vært for disse chips, er blevet tilsvarende mere krævende at designe og bygge. Denne artikel er en komplet guide til audio DSP fra algoritmeniveau til produktionsgulvet.

Hvad Audio DSP rent faktisk gør

I sin enkleste form sidder en lyd-DSP midt i en lydsignalkæde. En analog-til-digital-konverter (ADC) sampler den indkommende lyd – typisk ved 44.1 kHz, 48 kHz, 96 kHz eller 192 kHz afhængigt af applikationen – og omdanner en kontinuerlig bølgeform til en strøm af tal. DSP'en modtager disse tal, udfører matematiske operationer på dem og producerer en ny strøm af tal, der repræsenterer den behandlede lyd. En digital-til-analog-konverter (DAC) omdanner disse tal tilbage til et analogt signal til forstærkning og gengivelse.

Nøglefrasen er realtidI modsætning til offline lydbehandling – f.eks. at gengive en effekt i en DAW – skal en lyd-DSP behandle hver sample inden for et fast tidsvindue: én samplingperiode. Ved 48 kHz er det cirka 20.8 mikrosekunder pr. sample. DSP-kernens opgave er at færdiggøre alle sine algoritmer for alle kanaler inden for det vindue, på hver enkelt sample, på ubestemt tid, uden nogensinde at misse en deadline. Denne realtidsbegrænsning er grunden til, at lyd-DSP'er har arkitektoniske funktioner – dedikeret multiplikativ akkumuleringshardware, nul-overhead-loops, hardwareplanlagt I/O – der gør dem meget mere effektive til denne specifikke arbejdsbyrde end en generel CPU.

Hvad "behandling" betyder i praksis varierer enormt afhængigt af anvendelsen:

• I et højttalersystem opdeler DSP'en lyden i frekvensbånd og sender hvert bånd til den korrekte driver, anvender tidsforsinkelser for at justere hver drivers bølgefront og begrænser outputtet for at beskytte drivere mod overudsving.
• I støjreducerende hovedtelefoner tager DSP'en et mikrofonsignal fra ydersiden af ​​ørekoppen, inverterer og forsinker det og tilføjer det til lydsignalet for akustisk at eliminere omgivende støj.
• I et høreapparat komprimerer DSP'en det dynamiske område, så bløde lyde bliver hørbare uden at høje lyde er ubehagelige, anvender retningsbestemt filtrering for at fremhæve signalet foran brugeren og undertrykker feedback mellem mikrofonen og modtageren.
• I en lydstudiekonsol anvender DSP'en parametrisk equalisering på hver kanal, kører multibåndskomprimering og limiting, tilføjer rumklangs- og delay-effekter og sender signaler til flere outputbusser – samtidigt på snesevis af kanaler.

Hver af disse er et forskelligt sæt algoritmer, men de deler alle den samme grundlæggende struktur: DSP-kerne, ADC-indgange, DAC-udgange og et krav om realtidsudførelse. PCB-designkonsekvenserne af denne struktur er emnet for de senere afsnit af denne artikel.

Core Audio DSP-algoritmer

Audio DSP-algoritmer falder i et par praktiske grupper: formning af lyd, styring af højttaleradfærd, forbedring af stemmeklarhed og skabelse af rumlige effekter. Sammen definerer de, hvor meget processorkraft en audio DSP-chip har brug for.

Nøglealgoritmegrupper

• Lydformning: FIR- og IIR-filtre, parametrisk EQ, grafisk EQ og rumkorrektion justerer frekvensbalance, faseadfærd og tonal nøjagtighed.
• Højttalerkontrol: Digitale delefiltre, delay, limiting og EQ pr. driver hjælper med at dirigere lyd til den rigtige højttalerdriver, samtidig med at systemet beskyttes.
• Niveaukontrol: Kompressorer, limitere, expandere og støjporte styrer lydstyrken og forhindrer forvrængning eller overbelastning.
• Stemmebehandling: Ekkodæmpning og støjreduktion forbedrer opkaldskvaliteten ved at reducere feedback, rumstøj og uønsket baggrundslyd.
• Rumlig bearbejdning: HRTF, Dolby Atmos, DTS:X og avanceret rumkorrektion skaber en stærkere følelse af rum, retning og fordybelse.

I praksis kører disse funktioner ofte sammen. En smarthøjttaler kan for eksempel bruge EQ, delefilterfiltrering, limiting, ekkodæmpning og støjreduktion på samme tid.

Hvordan disse algoritmer påvirker chipvalg

Den vigtigste konklusion er enkel: jo mere adaptiv, flerkanals eller rumlig lydbehandlingen bliver, desto mere kapabel skal DSP-chippen være.

Audio DSP-applikationer på tværs af brancher

Lyd-DSP'er bruges overalt, hvor lyd skal renses, formes, beskyttes eller rumligt kontrolleres. Arbejdsbyrden varierer afhængigt af produkttypen: nogle enheder prioriterer lavt strømforbrug og lille størrelse, mens andre har brug for et højt antal kanaler, lav latenstid og avanceret realtidsbehandling.

Vigtigste anvendelsesområder

Design af lyd-DSP-printkort: Udfordringen med blandede signaler

Et DSP-lydprintkort er i sagens natur et mixed-signal-design: det indeholder både det analoge kredsløb med høj kvalitet (ADC-indgangstrin, DAC-udgangsfiltre, lydindgangsforstærkere), der bestemmer systemets signal-støj-forhold, og det digitale switching-kredsløb (DSP-kerne, ur, hukommelsesgrænseflader), der genererer støj ved harmoniske urfrekvenser. Den grundlæggende designudfordring er at forhindre den digitale støj i at nå den analoge sektion - fordi en støjgulvforringelse, som et oscilloskop måske ikke engang viser tydeligt, er hørbar i en lydkontekst. Menneskelig hørelse kan registrere artefakter 90-120 dB under signalniveauet; dette er ikke et tilgivende miljø for elektronisk design.

Plantegning: den første og vigtigste planløsning

Den mest effektive støjreduktionsteknik er fysisk adskillelse. Hvis ADC, DAC, analoge indgangsforstærkere og lydsignalspor placeres i ét område af printkortet - den analoge zone - og DSP-chippen, den digitale hukommelse, clockoscillatoren og switchingregulatoren placeres i et separat område - den digitale zone - forbliver jordstrømmene fra digital switching naturligt i den digitale zone uden at flyde gennem den analoge sektions jordbane. Når plantegningen er korrekt, fungerer alle andre støjreduktionsteknikker bedre, fordi de har mindre at gøre. At vende denne beslutning om - for eksempel at placere DSP-chippen ved siden af ​​ADC-indgangstrinnet - gør det meget vanskeligt at gendanne den analoge signalkædes støjydelse, uanset hvor omhyggeligt resten af ​​layoutet udføres.

Reglerne for gulvplanlægning til lyd-DSP-printkort:

• Placer den analoge indgangssektion — stik, indgangsfilter, eventuel forforstærker og ADC — sammen, væk fra DSP-chippen og clock-kredsløbet.
• Placer DAC'en og udgangsfilteret sammen på den analoge side, og led den analoge udgang væk fra DSP'en, før den når et stik eller en udgangsforstærker.
• DSP-chippen, dens afkoblingskondensatorer, clock-oscillator og eventuelle tilhørende SPI-flash eller EEPROM går i den digitale zone.
• Strømforsyningssektionen - især enhver switching-regulator - går ved printkortets periferi, væk fra både analoge og digitale signalveje, med dens induktor og switch-node orienteret, så magnetisk flux ikke kobles til nærliggende spor.
• Hvis et I²S- eller TDM digitalt lydinterface forbinder DSP'en til en ekstern codec, skal dette interface rutes gennem en neutral zone mellem den analoge og digitale sektion i stedet for gennem nogen af ​​sektionerne.

Signalroutingregler for lyd-DSP-kort

Analoge lydspor er de signaler, der har højest prioritet, og som skal beskyttes. De bør være korte, dirigeret væk fra uret og dets harmoniske, og aldrig ved siden af ​​strømforsyningsspor med høj strøm. Digitale urspor - inklusive MCLK- og BCLK-signalerne fra I²S-grænseflader - udstråler ved deres grundfrekvens og harmoniske og bør behandles med samme disciplin som en krystaloscillator: korte, beskyttede og på et internt lag med et referenceplan over og under, hvor det er muligt. Det generelle routinghierarki for audio DSP-kort: hold analoge lydspor så korte som muligt; hold urlinjer væk fra analoge stier; rut strømforsyningstilslutninger så sent som muligt (efter al signalrouting er udført).

Jordforbindelse, planer og partitionering på Audio DSP PCB'er

Til design af DSP-printkort til lyd er den sikreste tilgang normalt et enkelt kontinuerligt jordplan med klare analoge og digitale layoutzoner. Dette undgår EMI-risikoen, som opstår ved delte jordplaner, samtidig med at returstrømmene holdes under kontrol.

Layoutprincipper

• Brug ét solidt jordplan: Det giver hvert signal en kort, lavimpedans returvej.
• Adskil ved placering, ikke ved at skære kobber: Hold analoge kredsløb i den analoge zone og digitale kredsløb i den digitale zone.
• Undgå at føre på tværs af plane mellemrum: En deling eller slids kan tvinge returstrøm ind i en stor sløjfe og øge EMI.
• Kontrolovergangssteder: Signaler som I²S bør krydse mellem zoner på ét defineret sted.
• Tilføj via syning hvor det er nødvendigt: Jordvias kan hjælpe med at inddæmme støj og forbedre afskærmningen omkring følsomme analoge sektioner.

Strømforsyningsdesign til støjsvage DSP-kort

Et DSP-kort til lyd har brug for både effektiv digital strøm og ren analog strøm. Strømarkitekturen skal holde støj væk fra ADC'er, DAC'er, clock-signaler og analoge lydstier.

Oversigt over strømdesign

ADC- og DAC-layout på lyd-DSP-printkort

ADC'en og DAC'en er grænsefladerne mellem den analoge lydverden og DSP'ens digitale domæne. Deres placering, forsyningsdesign og routing af deres input- og outputspor har en direkte effekt på lydsystemets signal-støj-forhold, dynamiske område og forvrængningsydeevne.

Placering og routing af anti-aliasing-filter

Før en ADC's input kræves et anti-aliasing-filter - et lavpasfilter, der fjerner ethvert signalindhold over Nyquist-frekvensen (halvdelen af ​​samplehastigheden) - for at forhindre aliasing-artefakter. For en samplehastighed på 48 kHz skal anti-aliasing-filteret dæmpe signaler over 24 kHz betydeligt. Filterkomponenterne (modstande og kondensatorer til et RC-filter eller operationsforstærker og passive komponenter til en aktiv Sallen-Key- eller MFB-topologi) sidder umiddelbart før ADC'ens analoge input-pin og bør føres med korte spor for at minimere optagelse af højfrekvent interferens. Hvis inputsignalet kommer fra et langt spor, der løber fra et stik, fungerer dette spor som en antenne; placering af et RC-filter tæt på stikindgangen reducerer den energi, der når ADC'en.

DAC-udgangsfilter og udgangstrin

DAC-udgangen er en trinvis bølgeform – den ændrer sig i diskrete spring ved samplehastigheden og indeholder billeddannelsesartefakter ved harmoniske overskridelser af samplehastigheden, som skal fjernes af et rekonstruktionsfilter, før signalet når en forstærker eller et stik. Rekonstruktionsfilteret (typisk et passivt RC- eller et aktivt operationsforstærkerfilter) sidder umiddelbart efter DAC-udgangspinden i den analoge zone. Udgangsforstærkeren – en operationsforstærkerbuffer eller en klasse-D-driver – følger det. Hvis DAC-udgangen routes gennem en hvilken som helst del af den digitale zone mellem DAC'en og filteret, skabes der en mulighed for, at clockfrekvensinterferens tilføjes til det analoge signal. Dette skal undgås ved at holde hele DAC-udgangsstien i den analoge zone fra DAC-pinden til udgangsstikket.

Differentialsignalveje til højtydende ADC'er og DAC'er

Højtydende lyd-ADC'er og DAC'er bruger differentielle signalveje - to komplementære signaler, der bærer lyden, i stedet for et single-ended signal med reference til jord. Differentiel signalering tilbyder common-mode støjafvisning: enhver støj, der er koblet ligeligt på begge spor, trækkes fra ved modtagerindgangen. Dette er grunden til, at professionelle lydgrænseflader bruger balancerede forbindelser (XLR, TRS med tip-ring-sleeve), og hvorfor PCB-sporrouting for den analoge signalvej på et high-end lyd-DSP-kort ruter signalet som et differentialpar hele vejen fra indgangsstikket til ADC-indgangen og fra DAC-udgangen til udgangsstikket. At opretholde lige længder, lige sporbredder og lige routinggeometri mellem de to spor i et differentialpar er afgørende for at bevare common-mode-afvisningen - lige så vigtigt som for højhastigheds digitale differentialpar, men af ​​modsatte (støjimmunitet snarere end signalintegritet) årsager.

Ur og jitter: hvorfor lyd-ADC's og DAC's ydeevne afhænger af PCB-urkvaliteten

Sample-uret, der styrer, hvornår ADC'en sampler den analoge indgang, og hvornår DAC'en opdaterer sit output, skal være ekstremt stabilt. Urjitter - variation i timingen af ​​​​urkanterne - konverteres direkte til støj på det konverterede signal via en mekanisme kaldet aperturjitter. For en 24-bit DAC, der opererer ved et fuldskala 20 kHz signal, er den aperturjitter, der kræves for at holde jitterstøjen under kvantiseringsstøjgulvet, mindre end 1 ps RMS. Dette kan opnås med en god VCXO- eller TCXO-oscillator og omhyggeligt PCB-layout - korte clock-spor, en ren forsyning til oscillatoren, ingen routing ved siden af ​​​​switching-regulatorer - men det forringes let af dårlige layoutvalg. Asynkrone sample rate-konvertere (ASRC'er) bruges i nogle designs netop til at omklokke lyddataene fra et lokalt clock med lav jitter, hvilket eliminerer afhængigheden af ​​​​et indgående clocks jitterkvalitet.

Fremstilling og montering af lyd-DSP-printkort hos Highleap Electronics

Highleap Electronics er en fabrik til fremstilling og montering af printkort. Audio DSP-kort repræsenterer en kategori, vi regelmæssigt bygger – fra små serier af aktive højttalercontrollerkort og printkort til høreapparater til DSP-moduler til biler og professionelle audio-interfacekort i store mængder. Produktionskravene til audio DSP-kort har nogle specifikke egenskaber, som standard printkortproduktion ikke altid tager højde for uden eksplicit overvejelse.

Specifikke fremstillingskrav til lyd-DSP-kort

Kravet til kontrolleret impedans på audio DSP-kort er forskelligt fra et rent digitalt design. Hvor et digitalt kort primært har brug for kontrolleret impedans til sine højhastigheds digitale grænseflader (DDR, PCIe), har et audiokort et yderligere krav til analog impedans: De analoge lydspor fra indgangsstik til ADC og fra DAC til udgangsstik skal opretholde specificerede kilde- og belastningsimpedanser for at undgå hørbare variationer i frekvensrespons. Stackingbekræftelsen skal tage højde for både de analoge og digitale impedanskrav - som kan kræve forskellige sporbredder på forskellige lag. Vi leverer bekræftede stack-up-beregninger ved hjælp af faktiske laminat Dk-værdier fra vores fremstillingsproces for alle designs med kontrolleret impedans, inklusive audio DSP-kort.

Jordplanets kvalitet er meget vigtig på lydkort. Ethvert hulrum, slids eller uregelmæssig fjernelse af kobber fra jordplanlaget under den analoge signalsektion - forårsaget af via-afstande, dårlig gulvplanlægning eller uforsigtig håndtering af kobberhældning - forstyrrer returstrømsbanen for følsomme analoge signaler og hæver støjgulvet. præfabrikation DFM-gennemgang kontrollerer jordplankontinuitet i den analoge sektion som et specifikt revisionselement for lyddesign, ikke en generisk planfyldningskontrol.

For DSP-kort til bilaudio skal fabrikationsspecifikationen yderligere omfatte:

• Højtemperaturlaminatmateriale, der opfylder produktets krav til termisk cykling (ISOLA 370HR eller tilsvarende, hvor standard FR-4 er utilstrækkelig).
• Konform belægningskompatibilitet — bilplader er ofte konformt belagt efter montering, hvilket kræver passende overfladefinish og specifikationer for komponentafstand.
• Overfladebehandlinger med udvidet temperaturområde — ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) foretrækkes frem for HASL til bilindustrien, hvor loddbarheden skal forblive ensartet i hele produktets levetid.

Samlingsovervejelser for lyd-DSP-kort

ADAU1701 i sin 48-LQFP-pakke er en relativt tilgængelig SMT-komponent - et 7 mm × 7 mm hus med 0.5 mm stigning, der kan håndteres af standard SMT-udstyr uden særlige proceskrav. ADAU1452 i sin 144-TQFP-pakke og SHARC-familiens større BGA-varianter kræver finere placeringsnøjagtighed, og for BGA'er er røntgeninspektion efter reflow som standard - det samme BGA-samling Disciplinen beskrevet i vores artikel om DSP Chip PCB gælder her.

Den analoge sektions passive komponenter fortjener omhu i monteringsfasen. Anti-aliasing-filterkondensatorerne, DAC-udgangsfilterkondensatorerne og forsyningsafkoblingskeramikken til ADC'en og DAC'en bør verificeres for korrekt orientering (hvor polaritet er vigtig) og for værditolerance - en 1% kondensator i en kritisk lydfilterposition, der producerer en frekvensresponsfejl, er en af ​​de mere almindelige lydkorts ydeevnefejl, der består en simpel elektrisk test af godkendelse/ikke godkendelse, men producerer hørbare farvninger. Vores produktionstest af lyd-DSP-kort inkluderer elektrisk verifikation af den analoge signalkæde ved frekvens, hvor kunden leverer testvektorer og kriterier for godkendelse/ikke godkendelse, ikke kun kontinuitets- og komponenttilstedeværelseskontroller.

For DSP-kort til høreapparater og bærbare lydsystemer – hvor printkortet kan være et stift-fleksibelt eller ultratyndt design med 0201- og 01005-komponenter – kræver samleprocessen udstyr og operatørdisciplin, der er forskellig fra standard forbrugerelektroniksamling. Vi håndterer disse byggeprojekter som specialiserede programmer med dedikeret procesopsætning og førstegangsinspektion, før produktionsmængder frigives.

Komponentsourcing til DSP-lydprogrammer

Audio DSP-programmer er afhængige af komponenter, der lejlighedsvis oplever forsyningsbegrænsninger: ADAU1701 og ADAU1452 har oplevet leveringstider på 20-52 uger i perioder med høj efterspørgsel; krystaloscillatorer og præcisionslydkondensatorer (film- og NP0/C0G-typer) strammer ligeledes udbuddet under stigninger i efterspørgslen. komponent sourcing DSP-chips og tilhørende analoge komponenter leveres via autoriserede distributionskanaler. For programmer med lange produktionsforpligtelser rådgiver vi om sikkerhedslagerstrategier for at holde produktionen kørende selv under forsyningsafbrydelser.

Uanset om du bygger den første prototype af en aktiv højttaler med en ADAU1701 som kerne, skalerer en Bluetooth DSP-øretelefon til volumenproduktion eller bringer et lydbehandlingsmodul til biler til fabrikken for første gang, starter design-til-produktion-processen med en DFM-gennemgang, der bekræfter, at kortet er fabrikerbart, og at den blandede signalplan er korrekt, før det første kort fremstilles. Denne gennemgang er gratis, og det er den mest omkostningseffektive del af produktionsprocessen.

Ofte stillede spørgsmål om lyd-DSP

Hvad er den mest populære lyd-DSP-chip til gør-det-selv- og indlejrede projekter?

Analog Devices ADAU1701 er den mest anvendte dedikerede lyd-DSP til design af indlejrede produkter og et populært valg til gør-det-selv-projekter med aktive højttalere. Den integrerer en 28/56-bit DSP-kerne, to ADC'er, fire DAC'er og I²S/SPI-grænseflader på en enkelt chip, kører standalone fra en ekstern EEPROM og programmeres grafisk ved hjælp af Analog Devices' gratis SigmaStudio-software uden at skrive kode. ADAU1452 er den mere ydende efterfølger til designs, der kræver mere processorkraft eller flere I/O-kanaler.

Hvad er forskellen på audio DSP og en almindelig forstærker?

En forstærker ændrer niveauet af et lydsignal – den gør det højere eller matcher det med en belastningsimpedans. En lyd-DSP behandler signalet matematisk: den kan ændre dets frekvensindhold (udligning), ændre dets dynamiske område (komprimering/begrænsning), opdele det i frekvensbånd (delefilter), måle og eliminere støj (ANC), tilføje rumlige effekter og anvende tidsforsinkelser. De fleste moderne lydsystemer bruger begge dele: en DSP til at behandle signalet og en forstærker til at drive højttalerne. Mange integrerede lydprodukter kombinerer begge dele på det samme printkort.

Hvad er aktiv støjreduktion, og hvordan aktiverer DSP det?

Aktiv støjreduktion (ANC) bruger en mikrofon til at sample støjen, før den når lytterens øre, inverterer fasen af ​​det samplede støjsignal (multiplicerer hver sample med -1) og tilføjer det inverterede signal til lydudgangen. Når den inverterede støj når øret samtidig med den oprindelige støj, der ankommer gennem luften, annullerer de to - hvilket dæmper det opfattede støjniveau med 25-40 dB for lavfrekvent indhold. DSP'en håndterer inversionen, forsinkelsesjusteringen (så det inverterede signal ankommer på det rigtige tidspunkt) og adaptive algoritmer, der opdaterer annulleringssignalet, når støjmiljøet ændrer sig. Alt dette kører i realtid med lydsamplinghastigheden; det er kun praktisk på en dedikeret DSP-kerne, fordi en generel CPU ville forbruge for meget strøm i forhold til den batterilevetid, et hovedtelefon kræver.