オーディオDSP：その仕組み、役割、そして背後にあるプリント基板の製造方法

飛行機の客室の騒音を消し去るノイズキャンセリングヘッドホン、混雑したレストランの雑音の中から人の声を聞き分けられる補聴器、これまで聴いたことのない部屋で5つのオーディオチャンネルを11個のスピーカーにマッピングするホームシアターレシーバー――これらはすべてオーディオDSPの働きによるものです。オーディオのデジタル信号処理は1980年代初頭から存在していましたが、変化したのはその活用場所でした。かつてはプロのレコーディングスタジオや放送施設に限られていたものが、今では数ドルのチップで、何百万人もの人々が毎日使う製品の中で動作しています。アルゴリズムの処理能力と洗練度は飛躍的に向上し、それに伴い、これらのチップを搭載するプリント基板の設計と製造もより高度なものになっています。この記事は、アルゴリズムレベルから製造現場まで、オーディオDSPに関する包括的なガイドです。

オーディオDSPの実際の機能

最も単純な形では、オーディオDSPはオーディオ信号チェーンの中央に位置します。アナログ-デジタルコンバータ（ADC）は、アプリケーションに応じて通常44.1kHz、48kHz、96kHz、または192kHzで入力オーディオをサンプリングし、連続波形を数値のストリームに変換します。DSPはこれらの数値を受け取り、それらに対して数学演算を実行し、処理されたオーディオを表す新しい数値のストリームを生成します。デジタル-アナログコンバータ（DAC）は、これらの数値を増幅および再生用のアナログ信号に戻します。カラオケシステムの回路基板の製造では、マイク入力、DSPルーティング、およびアンプインターフェースの調整された接地とアセンブリレビューが必要です。

重要なのは「リアルタイム」という言葉です。DAWでエフェクトをレンダリングするなど、オフラインのオーディオ処理とは異なり、オーディオDSPは、1サンプリング周期という固定の時間枠内で、すべてのサンプルを処理する必要があります。48kHzの場合、これは1サンプルあたり約20.8マイクロ秒です。DSPコアの役割は、期限を逃すことなく、すべてのチャンネルのすべてのアルゴリズムを、その時間枠内で、すべてのサンプルに対して、無期限に完了することです。このリアルタイム制約があるため、オーディオDSPは、専用の乗算加算ハードウェア、オーバーヘッドゼロのループ、ハードウェアスケジューリングによるI/Oなど、汎用CPUよりもこの特定のワークロードにおいて遥かに効率的なアーキテクチャ機能を備えています。

実際に「処理」が意味するところは、用途によって大きく異なる。

• スピーカーシステムにおいて、DSPは音声信号を周波数帯域に分割し、各帯域を適切なドライバーにルーティングし、各ドライバーの波面を揃えるために時間遅延を適用し、ドライバーの過大な振幅から保護するために出力を制限します。
• ノイズキャンセリングヘッドホンでは、DSP（デジタル信号処理装置）がイヤーカップの外側からマイク信号を受け取り、それを反転させて遅延させ、オーディオ信号に加えることで、周囲の騒音を音響的に打ち消します。
• 補聴器において、DSPはダイナミックレンジを圧縮することで、小さな音が聞こえるようにし、大きな音が不快にならないようにする。また、指向性フィルタリングを適用して、装着者の正面からの信号を強調し、マイクとレシーバー間のフィードバックを抑制する。
• レコーディングスタジオのコンソールでは、DSPが各チャンネルにパラメトリックイコライゼーションを適用し、マルチバンドコンプレッションとリミッティングを実行し、リバーブとディレイエフェクトを追加し、信号を複数の出力バスにルーティングします。これらはすべて、数十のチャンネルで同時に行われます。

これらはそれぞれ異なるアルゴリズム群ですが、DSPコア、ADC入力、DAC出力、そしてリアルタイム実行という基本的な構造はすべて共通しています。この構造がPCB設計に及ぼす影響については、この記事の後半で詳しく説明します。

コアオーディオDSPアルゴリズム

オーディオDSPアルゴリズムは、音の整形、スピーカーの動作制御、音声の明瞭度向上、空間効果の生成といった、いくつかの実用的なグループに分類されます。これらのアルゴリズムを総合的に考慮することで、オーディオDSPチップに必要な処理能力が決まります。

主要アルゴリズムグループ

• サウンドシェイピング： FIRフィルター、IIRフィルター、パラメトリックEQ、グラフィックEQ、およびルーム補正により、周波数バランス、位相特性、および音色の正確さを調整します。
• スピーカーコントロール: デジタルクロスオーバー、ディレイ、リミッター、およびドライバーごとのイコライザーは、システムを保護しながら、オーディオを適切なスピーカードライバーにルーティングするのに役立ちます。
• レベルコントロール: コンプレッサー、リミッター、エキスパンダー、ノイズゲートは、音量を調整し、歪みや過負荷を防ぎます。
• 音声処理: エコーキャンセレーションとノイズ抑制は、フィードバック、室内の騒音、不要な背景音を低減することで、通話品質を向上させます。
• 空間処理： HRTF、Dolby Atmos、DTS:X、そして高度なルーム補正により、空間、方向性、そして没入感がより強く感じられます。

実際には、これらの機能はしばしば同時に実行されます。例えば、スマートスピーカーは、イコライザー、クロスオーバーフィルタリング、リミッター、エコーキャンセレーション、ノイズ抑制などを同時に使用する場合があります。

これらのアルゴリズムがチップ選定に及ぼす影響

要点は単純だ。オーディオ処理がより適応的、マルチチャンネル、あるいは空間的になればなるほど、DSPチップの性能はより高くなければならない。

オーディオDSPの様々な業界への応用

オーディオDSPは、音をクリーンアップ、整形、保護、または空間的に制御する必要があるあらゆる場所で使用されます。処理負荷は製品の種類によって異なり、低消費電力と小型化を優先するデバイスもあれば、多数のチャンネル、低遅延、高度なリアルタイム処理を必要とするデバイスもあります。

主な応用分野

オーディオDSP基板設計：ミックスドシグナルの課題

オーディオDSP基板は本質的にミックスドシグナル設計です。システムの信号対雑音比を決定する高忠実度アナログ回路（ADC入力段、DAC出力フィルタ、オーディオ入力アンプ）と、クロック周波数の高調波でノイズを発生させるデジタルスイッチング回路（DSPコア、クロック、メモリインターフェース）の両方が含まれています。根本的な設計上の課題は、デジタルノイズがアナログセクションに到達しないようにすることです。オシロスコープでは明確に表示されないノイズフロアの劣化でさえ、オーディオ環境では聞き取れるからです。人間の聴覚は信号レベルより90～120dB低いアーティファクトを検出できます。これは電子回路設計にとって決して容易な環境ではありません。

フロアプランニング：最初にして最も重要なレイアウト決定

最も効果的なノイズ低減技術は、物理的な分離です。ADC、DAC、アナログ入力アンプ、オーディオ信号配線を基板上の1つの領域（アナログゾーン）に配置し、DSPチップ、デジタルメモリ、クロック発振器、スイッチングレギュレータを別の領域（デジタルゾーン）に配置すると、デジタルスイッチングによるグランド電流はアナログセクションのグランドパスを通らず、自然にデジタルゾーン内に留まります。フロアプランが正しく設計されていれば、他のノイズ低減技術も、必要な処理が少なくなるため、より効果的に機能します。この決定を逆にする、例えばDSPチップをADC入力段の隣に配置するなどすると、レイアウトの他の部分をどれだけ丁寧に設計しても、アナログ信号チェーンのノイズ性能を回復することは非常に困難になります。

オーディオDSP基板のフロアプランニング規則：

• アナログ入力部（コネクタ、入力フィルタ、プリアンプ、ADCなど）は、DSPチップやクロック回路から離れた場所にまとめて配置してください。
• アナログ側にDACと出力フィルターを一緒に配置し、アナログ出力がDSPを経由してコネクタや出力アンプに到達する前に、DSPから離れた経路を通るようにしてください。
• DSPチップ、そのデカップリングコンデンサ、クロック発振器、および関連するSPIフラッシュメモリまたはEEPROMは、デジタル領域に配置されます。
• 電源部、特にスイッチングレギュレータは、アナログ信号経路とデジタル信号経路の両方から離れた基板の外周部に配置され、インダクタとスイッチノードは磁束が近くの配線に結合しないように向きが調整される。
• I²SまたはTDMデジタルオーディオインターフェースがDSPを外部コーデックに接続する場合、そのインターフェースはアナログセクションとデジタルセクションのどちらか一方を経由するのではなく、両者の間のニュートラルゾーンを経由してルーティングしてください。

オーディオDSPボードの信号ルーティングルール

アナログオーディオトレースは、保護すべき最優先信号です。短く、クロックとその高調波から離れた場所に配線し、大電流電源トレースに隣接させてはいけません。I²S インターフェースの MCLK および BCLK 信号を含むデジタルクロックトレースは、基本周波数とその高調波を放射するため、水晶発振器と同様の規律で扱う必要があります。つまり、短く、保護され、可能な限り上下に基準面がある内部層に配置する必要があります。オーディオ DSP ボードの一般的な配線階層は次のとおりです。アナログオーディオトレースはできるだけ短くします。クロックラインはアナログパスから離します。電源接続はできるだけ遅く配線します (すべての信号配線が完了した後)。

オーディオDSP基板における接地、プレーン、およびパーティショニング

オーディオDSPのPCB設計においては、通常、アナログ回路とデジタル回路のレイアウト領域を明確に区別した、単一の連続したグランドプレーンを用いる方が安全です。これにより、グランドプレーンを分割することによって生じるEMIリスクを回避しつつ、帰還電流を適切に制御することができます。

レイアウトの原則

• 1つのしっかりとした接地面を使用してください。 これにより、すべての信号に短く低インピーダンスの帰還経路が確保されます。
• 銅を切断するのではなく、配置によって分離する。 アナログ回路はアナログ領域に、デジタル回路はデジタル領域に配置する。
• 平面間の隙間を横切る配線は避けてください。 スプリットやスロットがあると、帰還電流が大きなループに流れ込み、EMI（電磁干渉）が増加する可能性があります。
• 交差点の制御： I²Sなどの信号は、定義された1つの場所でゾーン間を横断する必要があります。
• 必要に応じてステッチで追加してください。 グランドビアは、ノイズを抑制し、高感度なアナログ回路周辺のシールド性能を向上させるのに役立ちます。

低ノイズオーディオDSPボード向け電源設計

オーディオDSPボードには、効率的なデジタル電源とクリーンなアナログ電源の両方が必要です。電源アーキテクチャは、スイッチングノイズがADC、DAC、クロック、およびアナログオーディオパスに混入しないように設計する必要があります。

電源設計概要

オーディオDSP基板上のADCおよびDACのレイアウト

ADCとDACは、アナログオーディオの世界とDSPのデジタル領域をつなぐインターフェースです。これらの配置、電源設計、入出力配線のルーティングは、オーディオシステムの信号対雑音比、ダイナミックレンジ、歪み性能に直接影響を与えます。

アンチエイリアシングフィルタの配置とルーティング

ADCの入力前には、エイリアシングによるアーティファクトを防ぐために、アンチエイリアシングフィルタ（ナイキスト周波数（サンプリングレートの半分）を超える信号成分を除去するローパスフィルタ）が必要です。48 kHzのサンプリングレートの場合、アンチエイリアシングフィルタは24 kHzを超える信号を大幅に減衰させる必要があります。フィルタ部品（RCフィルタの場合は抵抗とコンデンサ、アクティブSallen-KeyまたはMFBトポロジの場合はオペアンプと受動部品）は、ADCのアナログ入力ピンの直前に配置され、高周波干渉のピックアップを最小限に抑えるために短い配線を使用する必要があります。入力信号がコネクタから長い配線で送られてくる場合、その配線はアンテナとして機能します。コネクタ入力の近くにRCフィルタを配置することで、ADCに到達するエネルギーを低減できます。

DAC出力フィルタおよび出力段

DACの出力はステップ波形であり、サンプリングレートで離散的に変化し、サンプリングレートの高調波にイメージングアーティファクトが含まれています。このアーティファクトは、信号がアンプまたはコネクタに到達する前に再構成フィルタによって除去する必要があります。再構成フィルタ（通常はパッシブRCフィルタまたはアクティブオペアンプフィルタ）は、DAC出力ピンの直後、アナログ領域に配置されます。出力アンプ（オペアンプバッファまたはクラスDドライバ）は、その後ろに続きます。DACとフィルタの間のデジタル領域のいずれかの部分を通してDAC出力をルーティングすると、アナログ信号にクロック周波数干渉が加わる可能性があります。これを回避するには、DACピンから出力コネクタまでのDAC出力パス全体をアナログ領域に維持する必要があります。

高性能ADCおよびDACのための差動信号経路

高性能オーディオADCおよびDACは、グランドを基準としたシングルエンド信号ではなく、オーディオ信号を伝送する2つの相補的な信号である差動信号経路を使用します。差動信号はコモンモードノイズ除去機能を提供します。つまり、両方のトレースに均等に結合されたノイズは、受信入力で除去されます。これが、プロフェッショナルオーディオインターフェースがバランス接続（XLR、チップ・リング・スリーブ付きTRS）を使用する理由であり、ハイエンドオーディオDSPボードのアナログ信号経路のPCBトレースルーティングが、入力コネクタからADC入力、およびDAC出力から出力コネクタまで、信号を差動ペアとしてルーティングする理由です。差動ペアの2つのトレース間で、長さ、トレース幅、およびルーティング形状を等しく維持することは、コモンモード除去を維持するために不可欠です。これは、高速デジタル差動ペアの場合と同様に重要ですが、理由は逆（信号の完全性ではなく、ノイズ耐性）です。

クロックとジッター：オーディオADCとDACの性能がPCBクロックの品質に依存する理由

ADCがアナログ入力をサンプリングするタイミングとDACが出力を更新するタイミングを制御するサンプルクロックは、極めて安定していなければなりません。クロックジッタ（クロックエッジのタイミングの変動）は、アパーチャジッタと呼ばれるメカニズムによって、変換された信号のノイズに直接変換されます。フルスケール20kHz信号で動作する24ビットDACの場合、ジッタノイズを量子化ノイズフロア以下に抑えるために必要なアパーチャジッタは、1ps RMS未満です。これは、優れたVCXOまたはTCXO発振器と、短いクロックトレース、発振器へのクリーンな電源、スイッチングレギュレータに隣接しない配線など、慎重なPCBレイアウトによって実現可能ですが、レイアウトの選択を誤ると容易に劣化します。非同期サンプルレートコンバータ（ASRC）は、入力クロックのジッタ品質への依存を排除​​するために、低ジッタのローカルクロックからオーディオデータを再クロックするために、一部の設計で使用されています。

Highleap ElectronicsにおけるオーディオDSP基板の製造および組立

Highleap Electronicsは、プリント基板（PCB）の製造・組立工場です。オーディオDSPボードは、当社が定期的に製造している製品カテゴリーの一つです。少量生産のアクティブスピーカーコントローラーボードや補聴器用PCBから、車載オーディオDSPモジュール、業務用オーディオインターフェースカードまで、幅広い製品を取り扱っています。オーディオDSPボードの製造要件には、標準的なPCB製造では明示的に考慮しない限り対応できない特有の特性がいくつかあります。

オーディオDSPボードに特有の製造要件

オーディオDSPボードにおけるインピーダンス制御の要件は、純粋なデジタル設計とは異なります。デジタルボードでは主に高速デジタルインターフェース（DDR、PCIe）のインピーダンス制御が必要ですが、オーディオボードではさらにアナログインピーダンスの要件があります。入力コネクタからADC、およびDACから出力コネクタへのアナログオーディオ配線は、可聴域の周波数応答変動を避けるために、指定されたソースインピーダンスと負荷インピーダンスを維持する必要があります。スタックアップの確認では、アナログインピーダンスとデジタルインピーダンスの両方の要件を考慮する必要があり、レイヤーごとに異なる配線幅が必要になる場合があります。当社では、オーディオDSPボードを含むすべてのインピーダンス制御設計について、製造プロセスで得られた実際のラミネートDk値を使用した確認済みのスタックアップ計算を提供しています。

オーディオ基板において、グランドプレーンの品質は極めて重要です。アナログ信号セクションの下にあるグランドプレーン層に、ビアクリアランス、不適切なフロアプランニング、または不注意な銅箔配置管理などによって、空隙、スロット、または不規則な銅箔除去が生じると、高感度なアナログ信号の帰還電流経路が阻害され、ノイズフロアが上昇します。当社の製造前DFMレビューでは、一般的なプレーン充填率チェックではなく、オーディオ設計専用の監査項目として、アナログセクションのグランドプレーンの連続性をチェックします。

車載オーディオDSPボードの場合、製造仕様にはさらに以下の事項を規定する必要があります。

• 製品の温度サイクル要件を満たす高温ラミネート材料（ISOLA 370HR、または標準FR-4では不十分な場合は同等品）。
• コンフォーマルコーティングとの適合性 ― 自動車用基板は組み立て後にコンフォーマルコーティングされることが多く、適切な表面仕上げと部品間のクリアランス仕様が求められる。
• 広い温度範囲に対応する表面処理 ― 自動車用途では、製品寿命を通じてはんだ付け性が一定に保たれる必要があるため、HASLよりもENIG（無電解ニッケル浸漬金めっき）が好まれます。

オーディオDSPボードの組み立てに関する考慮事項

ADAU1701は48ピンLQFPパッケージで、比較的扱いやすいSMT部品です。7mm×7mmのボディに0.5mmのリードピッチを備え、特別なプロセス要件なしに標準的なSMT装置で実装可能です。一方、ADAU1452は144ピンTQFPパッケージで、SHARCファミリーの大型BGAバリアントはより高精度な実装が求められ、BGAの場合はリフロー後のX線検査が標準となっています。DSPチップPCBに関する記事で説明したBGA実装手順は、ここでも同様に適用されます。

アナログ回路の受動部品は、組み立て段階で特に注意が必要です。アンチエイリアシングフィルタコンデンサ、DAC出力フィルタコンデンサ、ADCおよびDAC用の電源デカップリングセラミックは、正しい向き（極性が重要な場合）と許容値の許容範囲を確認する必要があります。重要なオーディオフィルタ位置にある1%のコンデンサが周波数応答エラーを引き起こすことは、オーディオボードの性能不良としてよくあるケースで、単純な合否判定の電気テストでは合格するものの、可聴域に色付けが生じます。当社のオーディオDSPボードの製造テストでは、お客様がテストベクトルと合否判定基準を提供し、導通や部品の有無の確認だけでなく、アナログ信号経路の周波数での電気検証も行います。

補聴器やウェアラブルオーディオのDSP基板（PCBはリジッドフレキシブル基板または超薄型設計で、0201および01005サイズの部品が使用されている）の場合、組み立て工程には、一般的な民生用電子機器の組み立てとは異なる設備と作業員の熟練度が求められます。当社では、これらの製造を専門プログラムとして扱い、専用の工程設定と、量産開始前の初回品検査を実施しています。

オーディオDSPプログラム用コンポーネントの調達

オーディオDSPプログラムは、供給制約に直面することがある部品に依存しています。ADAU1701とADAU1452は、需要が高い時期には20～52週間のリードタイムを要したことがあります。水晶発振器や高精度オーディオコンデンサ（フィルムタイプおよびNP0/C0Gタイプ）も同様に、需要急増時に供給が逼迫します。当社の部品調達サービスは、正規販売チャネルを通じてDSPチップおよび関連するアナログ部品を調達します。長期にわたる生産コミットメントを伴うプログラムについては、供給途絶時にも生産を継続できるよう、安全在庫戦略についてアドバイスを提供します。

ADAU1701をコアとするアクティブスピーカーの最初のプロトタイプを開発する場合でも、Bluetooth DSPイヤホンを量産規模に拡大する場合でも、車載オーディオ処理モジュールを初めて工場に導入する場合でも、設計から生産までの道のりは、最初の基板を製造する前に、基板が製造可能であり、ミックスドシグナルのフロアプランが正しいことを確認するDFMレビューから始まります。このレビューは無料で、生産プロセスの中で最も費用対効果の高い部分です。

オーディオDSPに関するよくある質問

DIYや組み込みプロジェクトで最も人気のあるオーディオDSPチップは何ですか？

Analog Devices ADAU1701は、組み込み製品設計において最も広く使用されている専用オーディオDSPであり、DIYアクティブスピーカープロジェクトでも人気の高い選択肢です。28/56ビットDSPコア、2つのADC、4つのDAC、およびI²S/SPIインターフェースを1つのチップに統合し、外部EEPROMからスタンドアロンで動作し、コードを記述することなくAnalog Devicesの無料ソフトウェアSigmaStudioを使用してグラフィカルにプログラムできます。ADAU1452は、より高い処理能力やより多くのI/Oチャネルを必要とする設計向けの、より高性能な後継製品です。

オーディオDSPと通常のアンプの違いは何ですか？

アンプはオーディオ信号のレベルを変化させます。つまり、音量を大きくしたり、負荷インピーダンスに合わせたりします。オーディオDSPは信号を数学的に処理します。周波数成分の変更（イコライゼーション）、ダイナミックレンジの変更（コンプレッション／リミッティング）、周波数帯域への分割（クロスオーバー）、ノイズの測定と除去（ANC）、空間効果の追加、時間遅延の適用などが可能です。最新のオーディオシステムのほとんどは、信号処理にDSP、スピーカー駆動にアンプという両方を使用しています。多くの統合型オーディオ製品は、両方を同じ基板上に搭載しています。

アクティブノイズキャンセリングとは何ですか？また、DSPはどのようにしてそれを実現するのですか？

アクティブノイズキャンセリング（ANC）は、マイクを使用してノイズがリスナーの耳に届く前にサンプリングし、サンプリングしたノイズ信号の位相を反転（各サンプルに-1を乗算）して、反転した信号をオーディオ出力に追加します。反転したノイズが、空気中を伝わる元のノイズと同時に耳に届くと、両者が打ち消し合い、低周波成分の知覚ノイズレベルを25～40dB低減します。DSPは、反転処理、遅延調整（反転した信号が適切なタイミングで届くようにするため）、およびノイズ環境の変化に応じてキャンセル信号を更新する適応アルゴリズムを処理します。これらすべてはオーディオサンプリングレートでリアルタイムに実行されます。汎用CPUではヘッドホンのバッテリー寿命に必要な電力を消費しすぎるため、専用のDSPコアでのみ実用的です。