Цифровой сигнальный процессор (DSP) для аудио: как он работает, для чего он нужен и как изготавливается печатная плата.

Наушники с шумоподавлением, благодаря которым салон самолета становится невидимым, слуховой аппарат, способный отличить голос от фонового шума в переполненном ресторане, домашний кинотеатральный ресивер, который распределяет пять аудиоканалов по одиннадцати динамикам в комнате, где он никогда раньше не слышал звука — все это примеры работы цифровой обработки аудиосигналов (DSP). Цифровая обработка аудиосигналов существует с начала 1980-х годов, но изменилось то, где она применяется. То, что раньше ограничивалось профессиональными студиями звукозаписи и вещательными компаниями, теперь работает на микросхемах стоимостью в несколько долларов, внутри продуктов, которыми ежедневно пользуются миллионы людей. Мощность обработки и сложность алгоритмов значительно возросли; соответственно, печатные платы, на которых размещаются эти микросхемы, стали более требовательными к проектированию и изготовлению. Эта статья представляет собой полное руководство по цифровой обработке аудиосигналов от уровня алгоритмов до производственного процесса.

Что на самом деле делает цифровая обработка сигналов в аудио (DSP)

В самом простом виде, цифровой сигнальный процессор (DSP) находится в середине цепи обработки аудиосигнала. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) дискретизирует входящий аудиосигнал — обычно с частотой 44.1 кГц, 48 кГц, 96 кГц или 192 кГц в зависимости от приложения — преобразуя непрерывную форму волны в поток чисел. DSP принимает эти числа, выполняет над ними математические операции и выдает новый поток чисел, представляющий обработанный аудиосигнал. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует эти числа обратно в аналоговый сигнал для усиления и воспроизведения. При производстве печатных плат для караоке-систем необходимо скоординированное заземление и проверка сборки микрофонных входов, маршрутизации DSP и интерфейсов усилителя.

Ключевая фраза — « в реальном времени» . В отличие от автономной обработки звука — например, рендеринга эффекта в DAW — аудиопроцессор DSP должен обрабатывать каждый сэмпл в течение фиксированного временного окна: одного периода дискретизации. При частоте 48 кГц это составляет приблизительно 20.8 микросекунд на сэмпл. Задача ядра DSP — завершить все свои алгоритмы для всех каналов в течение этого окна, для каждого отдельного сэмпла, бесконечно долго, не сбиваясь с графика. Именно это ограничение по времени объясняет архитектурные особенности аудиопроцессоров DSP — выделенное аппаратное умножение-накопитель, циклы с нулевыми накладными расходами, аппаратное планирование ввода-вывода — которые делают их гораздо более эффективными при выполнении этой конкретной задачи, чем универсальный центральный процессор.

На практике понятие «обработка» сильно различается в зависимости от конкретного применения:

• В акустической системе цифровой сигнальный процессор (DSP) разделяет аудиосигнал на частотные полосы и направляет каждую полосу на соответствующий динамик, применяет задержки по времени для выравнивания волнового фронта каждого динамика и ограничивает выходной сигнал для защиты динамиков от чрезмерного хода диффузора.
• В наушниках с шумоподавлением цифровой сигнальный процессор (DSP) принимает сигнал с микрофона, расположенного снаружи чашки наушника, инвертирует и задерживает его, а затем добавляет к аудиосигналу для акустического подавления окружающего шума.
• В слуховом аппарате цифровой сигнальный процессор сжимает динамический диапазон, чтобы тихие звуки становились слышимыми, а громкие — не вызывали дискомфорта, применяет направленную фильтрацию для усиления сигнала перед пользователем и подавляет обратную связь между микрофоном и приемником.
• В консоли звукозаписывающей студии DSP применяет параметрическую эквализацию к каждому каналу, выполняет многополосную компрессию и лимитирование, добавляет эффекты реверберации и задержки, а также направляет сигналы на несколько выходных шин — одновременно, на десятки каналов.

Каждый из них представляет собой отдельный набор алгоритмов, но все они имеют одинаковую фундаментальную структуру: ядро ​​DSP, входы АЦП, выходы ЦАП и требование выполнения в реальном времени. Последствия этой структуры для проектирования печатной платы рассматриваются в последующих разделах данной статьи.

Основные алгоритмы цифровой обработки сигналов в аудиосистемах

Алгоритмы цифровой обработки звука (DSP) делятся на несколько практических групп: формирование звука, управление поведением говорящего, повышение четкости голоса и создание пространственных эффектов. Вместе они определяют, какая вычислительная мощность необходима микросхеме DSP для обработки звука.

Ключевые группы алгоритмов

• Формирование звука: Фильтры FIR и IIR, параметрический эквалайзер, графический эквалайзер и коррекция акустики помещения регулируют частотный баланс, фазовые характеристики и точность звучания.
• Управление динамиками: Цифровые кроссоверы, задержка, лимитирование и эквалайзер для каждого динамика помогают направлять звук к нужному динамику, защищая при этом систему.
• Контроль уровня: Компрессоры, лимитеры, экспандеры и шумоподавители регулируют громкость и предотвращают искажения или перегрузку.
• Обработка голоса: Функции подавления эха и шума улучшают качество связи, уменьшая обратную связь, шум в помещении и нежелательные фоновые звуки.
• Пространственная обработка: Технологии HRTF, Dolby Atmos, DTS:X и расширенная коррекция акустики помещения создают более сильное ощущение пространства, направленности и погружения.

На практике эти функции часто работают вместе. Например, умная колонка может одновременно использовать эквалайзер, кроссоверную фильтрацию, лимитирование, подавление эха и шумоподавление.

Как эти алгоритмы влияют на выбор микросхемы

Главный вывод прост: чем более адаптивной, многоканальной или пространственной становится обработка звука, тем более мощным должен быть DSP-чип.

Применение цифровой обработки аудиосигналов в различных отраслях

Цифровые сигнальные процессоры (DSP) используются везде, где необходимо очистить, сформировать, защитить или пространственно контролировать звук. Нагрузка варьируется в зависимости от типа устройства: для некоторых устройств приоритет отдается низкому энергопотреблению и малым размерам, в то время как другим требуется большое количество каналов, низкая задержка и расширенная обработка в реальном времени.

Основные области применения

Проектирование печатных плат для обработки аудиосигналов на цифровом сигнале: проблемы смешанных сигналов

Аудиоплата с цифровым сигнальным процессором (DSP) по своей сути представляет собой схему смешанного сигнала: она содержит как высококачественную аналоговую схему (входные каскады АЦП, выходные фильтры ЦАП, входные усилители звука), определяющую отношение сигнал/шум системы, так и цифровую схему переключения (ядро DSP, тактовый генератор, интерфейсы памяти), генерирующую шум на гармониках тактовой частоты. Основная задача проектирования — предотвратить попадание цифрового шума в аналоговую секцию, поскольку ухудшение уровня шума, которое осциллограф может даже не отображать четко, слышно в аудиоконтексте. Человеческий слух способен обнаруживать артефакты на 90–120 дБ ниже уровня сигнала; это неблагоприятная среда для проектирования электронных схем.

Планировка помещения: первое и самое важное решение по размещению.

Наиболее эффективным методом снижения шума является физическое разделение. Если АЦП, ЦАП, аналоговые входные усилители и аудиосигнальные дорожки размещены в одной области платы — аналоговой зоне, — а микросхема DSP, цифровая память, тактовый генератор и импульсный стабилизатор напряжения размещены в отдельной области — цифровой зоне, — то токи заземления от цифрового переключения естественным образом остаются в цифровой зоне, не протекая через цепь заземления аналоговой секции. При правильной компоновке все остальные методы снижения шума работают лучше, поскольку им требуется меньше усилий. Изменение этого решения — например, размещение микросхемы DSP рядом с входным каскадом АЦП — делает восстановление шумовых характеристик аналоговой сигнальной цепи очень сложным, независимо от того, насколько тщательно выполнена остальная компоновка.

Правила размещения компонентов на печатных платах аудиопроцессоров:

• Разместите аналоговый входной блок — разъем, входной фильтр, любой предусилитель и АЦП — вместе, подальше от микросхемы DSP и схемы тактирования.
• Разместите ЦАП и выходной фильтр вместе на аналоговой стороне, направив аналоговый выходной сигнал в сторону от DSP до того, как он достигнет какого-либо разъема или выходного усилителя.
• Микросхема DSP, её развязывающие конденсаторы, тактовый генератор и любая связанная с ней SPI-флэш-память или EEPROM размещаются в цифровой зоне.
• Блок питания — особенно импульсный стабилизатор — располагается на периферии платы, вдали от аналоговых и цифровых сигнальных трактов, при этом его индуктор и коммутационный узел ориентированы таким образом, чтобы магнитный поток не воздействовал на близлежащие дорожки.
• Если цифровой аудиоинтерфейс I²S или TDM подключает DSP к внешнему кодеку, то маршрутизацию этого интерфейса следует осуществлять через нейтральную зону между аналоговой и цифровой секциями, а не через каждую из них по отдельности.

Правила маршрутизации сигналов для аудиоплат DSP

Аналоговые аудиодорожки являются сигналами наивысшего приоритета для защиты. Они должны быть короткими, проложены вдали от тактового сигнала и его гармоник и никогда не должны примыкать к сильноточным дорожкам питания. Цифровые тактовые дорожки — включая сигналы MCLK и BCLK интерфейсов I²S — излучают на своей основной частоте и гармониках и должны обрабатываться с той же дисциплиной, что и кварцевый генератор: короткие, защищенные и расположенные на внутреннем слое с опорной плоскостью сверху и снизу, где это возможно. Общая иерархия трассировки для аудиоплат DSP: аналоговые аудиодорожки должны быть как можно короче; тактовые линии должны быть вдали от аналоговых трактов; соединения питания должны прокладываться как можно позже (после завершения всей трассировки сигналов).

Заземление, плоскости и разделение на печатных платах аудиопроцессоров.

При проектировании печатных плат для аудиопроцессоров более безопасным подходом обычно является использование единой сплошной заземляющей плоскости с четкими зонами аналоговой и цифровой разводки. Это позволяет избежать риска электромагнитных помех, создаваемого разделенными заземляющими плоскостями, и при этом контролировать обратные токи.

Принципы компоновки

• Используйте одну сплошную плоскость земли: Это обеспечивает каждому сигналу короткий обратный путь с низким импедансом.
• Разделение осуществляется путем размещения, а не путем резки меди: Аналоговые схемы следует оставлять в аналоговой зоне, а цифровые — в цифровой.
• Избегайте прокладки маршрутов через промежутки между плоскостями: Разрез или щель могут направлять обратный ток в большую петлю и увеличивать электромагнитные помехи.
• Контрольные пункты пересечения границы: Сигналы, такие как I²S, должны передаваться между зонами в одной определенной точке.
• При необходимости добавьте стежки: Заземляющие переходные отверстия могут помочь снизить уровень шума и улучшить экранирование чувствительных аналоговых участков.

Проектирование источников питания для малошумящих аудиоплат DSP

Для аудиоплаты с цифровой обработкой сигналов (DSP) необходимы как эффективное цифровое питание, так и чистое аналоговое питание. Архитектура питания должна предотвращать воздействие коммутационных помех на АЦП, ЦАП, тактовые генераторы и аналоговые аудиотракты.

Краткое описание проектирования энергосистемы

Схема расположения АЦП и ЦАП на печатных платах аудиопроцессоров.

АЦП и ЦАП являются интерфейсами между аналоговым миром звука и цифровой областью обработки сигналов. Их размещение, схема питания и трассировка входных и выходных сигналов напрямую влияют на отношение сигнал/шум, динамический диапазон и уровень искажений аудиосистемы.

Размещение и маршрутизация фильтров сглаживания

Перед входом АЦП необходим фильтр сглаживания — фильтр нижних частот, удаляющий сигнал выше частоты Найквиста (половина частоты дискретизации), — для предотвращения артефактов сглаживания. Для частоты дискретизации 48 кГц фильтр сглаживания должен значительно ослаблять сигналы выше 24 кГц. Компоненты фильтра (резисторы и конденсаторы для RC-фильтра или операционный усилитель и пассивные компоненты для активной топологии Саллена-Кея или MFB) располагаются непосредственно перед аналоговым входным контактом АЦП и должны быть проложены короткими дорожками, чтобы минимизировать наведение высокочастотных помех. Если входной сигнал поступает по длинной дорожке от разъема, эта дорожка действует как антенна; размещение RC-фильтра близко к входу разъема уменьшает энергию, достигающую АЦП.

Выходной фильтр ЦАП и выходной каскад

Выходной сигнал ЦАП представляет собой ступенчатую форму волны — он изменяется дискретными скачками с частотой дискретизации и содержит артефакты изображения на гармониках частоты дискретизации, которые должны быть удалены с помощью восстанавливающего фильтра до того, как сигнал достигнет усилителя или разъема. Восстанавливающий фильтр (обычно пассивный RC-фильтр или активный фильтр на операционном усилителе) расположен непосредственно после выходного контакта ЦАП, в аналоговой зоне. За ним следует выходной усилитель — буфер на операционном усилителе или драйвер класса D. Проведение выходного сигнала ЦАП через любую часть цифровой зоны между ЦАП и фильтром создает возможность добавления помех тактовой частоты к аналоговому сигналу; этого необходимо избегать, сохраняя весь выходной тракт ЦАП в аналоговой зоне от вывода ЦАП до выходного разъема.

Дифференциальные сигнальные тракты для высокопроизводительных АЦП и ЦАП

В высокопроизводительных аудио АЦП и ЦАП используются дифференциальные сигнальные тракты — два комплементарных сигнала, передающих аудиосигнал, а не однополярный сигнал, заземленный. Дифференциальная передача сигнала обеспечивает подавление синфазных помех: любой шум, одинаково наведенный на обе дорожки, вычитается на входе приемника. Именно поэтому в профессиональных аудиоинтерфейсах используются балансные соединения (XLR, TRS с контактами типа «тикер-кольцо-гильза»), и именно поэтому трассировка аналогового сигнала на плате высококачественного аудиопроцессора DSP осуществляется в виде дифференциальной пары от входного разъема до входа АЦП и от выхода ЦАП до выходного разъема. Поддержание одинаковой длины, одинаковой ширины дорожек и одинаковой геометрии трассировки между двумя дорожками в дифференциальной паре имеет важное значение для сохранения подавления синфазных помех — так же важно, как и для высокоскоростных цифровых дифференциальных пар, но по противоположным причинам (помехоустойчивость, а не целостность сигнала).

Тактовая частота и джиттер: почему производительность аудио АЦП и ЦАП зависит от качества тактовой частоты на печатной плате.

Тактовый сигнал, определяющий момент выборки АЦП аналогового входа и момент обновления выходного сигнала ЦАП, должен быть чрезвычайно стабильным. Джиттер тактового сигнала — изменение времени фронтов тактового сигнала — напрямую преобразуется в шум преобразованного сигнала посредством механизма, называемого апертурным джиттером. Для 24-битного ЦАП, работающего с сигналом полной шкалы 20 кГц, апертурный джиттер, необходимый для того, чтобы уровень шума джиттера оставался ниже уровня шума квантования, составляет менее 1 пс RMS. Этого можно достичь с помощью хорошего VCXO или TCXO генератора и тщательной компоновки печатной платы — коротких тактовых дорожек, чистого питания генератора, отсутствия трассировки рядом с импульсными стабилизаторами — но это легко ухудшается из-за неправильного выбора компоновки. Асинхронные преобразователи частоты дискретизации (ASRC) используются в некоторых схемах именно для повторной тактовой синхронизации аудиоданных от локального тактового сигнала с низким уровнем джиттера, что устраняет зависимость от качества джиттера входящего тактового сигнала.

Изготовление и сборка печатных плат для аудиопроцессоров на предприятии Highleap Electronics.

Компания Highleap Electronics занимается изготовлением и сборкой печатных плат. Мы регулярно производим платы для обработки аудиосигналов (DSP) — от мелкосерийного производства плат управления активными громкоговорителями и печатных плат слуховых аппаратов до автомобильных аудиомодулей DSP и профессиональных аудиоинтерфейсных плат в больших объемах. Требования к производству плат DSP для аудио имеют ряд специфических особенностей, которые стандартное производство печатных плат не всегда учитывает без предварительного анализа.

Требования к изготовлению, специфичные для плат обработки звука DSP.

Требования к контролируемому импедансу на платах аудиопроцессоров отличаются от требований к чисто цифровым схемам. В то время как цифровая плата в первую очередь нуждается в контролируемом импедансе для своих высокоскоростных цифровых интерфейсов (DDR, PCIe), аудиоплата имеет дополнительное требование к аналоговому импедансу: аналоговые аудиодорожки от входных разъемов к АЦП и от ЦАП к выходным разъемам должны поддерживать заданные импедансы источника и нагрузки, чтобы избежать слышимых колебаний частотной характеристики. Подтверждение структуры слоев должно учитывать как аналоговые, так и цифровые требования к импедансу, что может потребовать различной ширины дорожек на разных слоях. Мы предоставляем подтвержденные расчеты структуры слоев с использованием фактических значений диэлектрической проницаемости ламината (Dk), полученных в процессе производства, для каждой схемы с контролируемым импедансом, включая платы аудиопроцессоров.

Качество заземляющей плоскости имеет первостепенное значение на аудиоплатах. Любые пустоты, щели или неравномерное удаление меди из слоя заземляющей плоскости под секцией аналогового сигнала — вызванные зазорами в переходных отверстиях, плохой планировкой размещения компонентов или небрежным обращением с медью — нарушают путь обратного тока для чувствительных аналоговых сигналов и повышают уровень шума. В рамках нашей проверки DFM (проектирование для производства) перед изготовлением мы отмечаем целостность заземляющей плоскости в аналоговой секции как отдельный пункт аудита для аудиосхем, а не как общую проверку заполнения плоскости.

Для плат обработки цифровых сигналов в автомобильной аудиосистеме в технической спецификации необходимо дополнительно указать следующее:

• Высокотемпературный ламинированный материал, соответствующий требованиям к термоциклированию изделия (ISOLA 370HR или эквивалентный, если стандартный FR-4 недостаточен).
• Совместимость с защитным покрытием — автомобильные платы часто покрываются защитным покрытием после сборки, что требует соответствующей обработки поверхности и соблюдения требований к зазорам между компонентами.
• Для автомобильной промышленности, где паяемость должна оставаться стабильной на протяжении всего срока службы изделия, предпочтительным является покрытие ENIG (химическое никелирование с иммерсионным золочением) по сравнению с HASL, обеспечивающее расширенный температурный диапазон.

Вопросы сборки плат обработки цифровых сигналов для аудиопроцессоров.

Микросхема ADAU1701 в корпусе 48-LQFP является относительно доступным компонентом для поверхностного монтажа — корпус размером 7 мм × 7 мм с шагом выводов 0.5 мм, что вполне по силам стандартному оборудованию для поверхностного монтажа и не требует специальных технологических процессов. Микросхема ADAU1452 в корпусе 144-TQFP и более крупные варианты BGA из семейства SHARC требуют более высокой точности установки, а для BGA-микросхем стандартной процедурой является рентгеновский контроль после оплавления — здесь применяется та же дисциплина сборки BGA, описанная в нашей статье о печатных платах DSP-чипов.

Пассивные компоненты аналоговой секции требуют особого внимания на этапе сборки. Конденсаторы фильтра сглаживания, выходные фильтрующие конденсаторы ЦАП и керамические конденсаторы развязки питания для АЦП и ЦАП должны быть проверены на правильную ориентацию (там, где важна полярность) и на допуск по номиналу — конденсатор с допуском 1% в критическом положении аудиофильтра, вызывающий ошибку частотной характеристики, является одним из наиболее распространенных отказов аудиоплат, который проходит простой электрический тест «прошел/не прошел», но вызывает слышимые искажения. Наше производственное тестирование аудиоплат DSP включает в себя электрическую проверку аналоговой сигнальной цепи на частоте, где заказчик предоставляет тестовые векторы и критерии прохождения/непрохождения, а не только проверку целостности цепи и наличия компонентов.

Для плат обработки цифрового сигнала (DSP) слуховых аппаратов и носимых аудиоустройств — где печатная плата может быть жестко-гибкой или сверхтонкой конструкции с компонентами 0201 и 01005 — процесс сборки требует оборудования и дисциплины оператора, отличающихся от стандартной сборки бытовой электроники. Мы занимаемся этими сборками как специализированными программами с выделенной настройкой процесса и проверкой первого образца перед выпуском серийного производства.

Поиск компонентов для программ цифровой обработки аудиосигналов.

Программы обработки цифровых сигналов в аудиосистемах зависят от компонентов, поставки которых периодически сталкиваются с ограничениями: сроки поставки ADAU1701 и ADAU1452 в периоды высокого спроса составляли от 20 до 52 недель; аналогично, поставки кварцевых генераторов и прецизионных аудиоконденсаторов (пленочных и NP0/C0G) сокращаются во время пиков спроса. Наша служба закупки компонентов обеспечивает поставку микросхем DSP и сопутствующих аналоговых компонентов через авторизованные каналы дистрибуции. Для программ с длительными производственными обязательствами мы консультируем по стратегиям создания страховых запасов, чтобы обеспечить бесперебойное производство в условиях перебоев в поставках.

Независимо от того, создаёте ли вы первый прототип активной акустической системы на базе ADAU1701, масштабируете ли производство Bluetooth-наушников с DSP-процессором или впервые выводите на завод модуль обработки автомобильного звука, путь от проектирования до производства начинается с проверки DFM (проектирование для производства), которая подтверждает технологичность платы и правильность компоновки печатной платы перед изготовлением первой платы. Эта проверка бесплатна и является наиболее экономически эффективной частью производственного процесса.

Часто задаваемые вопросы о цифровой обработке звука (DSP)

Какой аудиочип DSP наиболее популярен для проектов «сделай сам» и встраиваемых систем?

Analog Devices ADAU1701 — наиболее широко используемый специализированный аудиопроцессор DSP для встраиваемых систем и популярный выбор для проектов активных акустических систем, создаваемых своими руками. Он объединяет 28/56-битное ядро ​​DSP, два АЦП, четыре ЦАП и интерфейсы I²S/SPI на одном чипе, работает автономно от внешней EEPROM и программируется графически с помощью бесплатного программного обеспечения SigmaStudio от Analog Devices без написания кода. ADAU1452 — более производительный преемник для проектов, требующих большей вычислительной мощности или большего количества каналов ввода/вывода.

В чём разница между цифровым сигнальным процессором (DSP) и обычным усилителем?

Усилитель изменяет уровень аудиосигнала — делает его громче или согласовывает с импедансом нагрузки. Аудиопроцессор (DSP) обрабатывает сигнал математически: он может изменять его частотный состав (эквалайзер), изменять динамический диапазон (компрессия/ограничение), разделять его на частотные полосы (кроссовер), измерять и подавлять шум (активное шумоподавление), добавлять пространственные эффекты и применять задержки по времени. Большинство современных аудиосистем используют оба компонента: DSP для обработки сигнала и усилитель для управления динамиками. Многие интегрированные аудиоустройства объединяют оба компонента на одной печатной плате.

Что такое активное шумоподавление и как цифровая обработка сигналов (DSP) обеспечивает его работу?

Активное шумоподавление (АНЧ) использует микрофон для регистрации шума до того, как он достигнет уха слушателя, инвертирует фазу этого зарегистрированного шумового сигнала (умножая каждый отсчет на −1) и добавляет инвертированный сигнал к аудиовыходу. Когда инвертированный шум достигает уха одновременно с исходным шумом, поступающим из воздуха, они взаимно компенсируются, снижая воспринимаемый уровень шума на 25–40 дБ для низкочастотного контента. DSP обрабатывает инверсию, регулировку задержки (чтобы инвертированный сигнал поступал в нужное время) и адаптивные алгоритмы, которые обновляют сигнал подавления по мере изменения шумовой среды. Все это работает в реальном времени с частотой дискретизации звука; это практично только на выделенном ядре DSP, поскольку универсальный процессор потреблял бы слишком много энергии для необходимого времени автономной работы наушников.