Аудіо DSP: як він працює, що він робить і як будується його друкована плата

Шумопоглинаючі навушники, які змушують салон літака зникнути, слуховий апарат, який може розрізняти голос від фонового шуму в переповненому ресторані, домашній кінотеатр, який підключає п'ять аудіоканалів до одинадцяти динаміків у кімнаті, яку він ніколи раніше не чув, — усе це аудіо DSP у дії. Цифрова обробка сигналів для аудіо існує з початку 1980-х років, але змінилося те, де вона проявляється. Те, що колись було обмежене професійними студіями звукозапису та радіомовленням, тепер працює на мікросхемах вартістю кілька доларів, у продуктах, якими мільйони людей користуються щодня. Обчислювальна потужність та складність алгоритмів значно зросли; відповідно, друковані плати, на яких розміщені ці мікросхеми, стали більш вимогливими до проектування та виготовлення. Ця стаття є повним посібником з аудіо DSP від ​​рівня алгоритмів до виробничого цеху.

Що насправді робить аудіо DSP

У найпростішому вигляді, аудіо DSP знаходиться посеред ланцюга аудіосигналу. Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) вибірково виконує вхідний аудіосигнал — зазвичай з частотою 44.1 кГц, 48 кГц, 96 кГц або 192 кГц залежно від застосування — перетворюючи безперервну форму хвилі на потік чисел. DSP отримує ці числа, виконує над ними математичні операції та створює новий потік чисел, що представляє оброблений аудіосигнал. Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) перетворює ці числа назад на аналоговий сигнал для посилення та відтворення.

Ключова фраза - це реальний часНа відміну від автономної обробки аудіо — наприклад, рендерингу ефекту в DAW — аудіо DSP повинен обробляти кожен семпл протягом фіксованого часового вікна: одного періоду дискретизації. При частоті 48 кГц це приблизно 20.8 мікросекунд на семпл. Завдання ядра DSP полягає в тому, щоб виконувати всі свої алгоритми для всіх каналів у цьому вікні, на кожному окремому семплі, необмежений час, без пропуску термінів. Це обмеження реального часу пояснює, чому аудіо DSP мають архітектурні особливості — спеціалізоване обладнання множення-накопичення, цикли з нульовими накладними витратами, апаратно запланований ввід/вивід — що робить їх набагато ефективнішими при цьому конкретному навантаженні, ніж універсальний процесор.

Те, що означає «обробка» на практиці, дуже залежить від застосування:

• У системі гучномовців цифровий сигнальний процесор (DSP) розділяє аудіосигнал на частотні смуги та направляє кожну смугу до відповідного драйвера, застосовує часові затримки для вирівнювання хвильового фронту кожного драйвера та обмежує вихідний сигнал для захисту драйверів від надмірного відхилення.
• У навушниках із шумопоглинанням DSP приймає сигнал мікрофона ззовні вушної чашки, інвертує та затримує його, а потім додає до аудіосигналу для акустичного придушення навколишнього шуму.
• У слуховому апараті цифровий сигнальний процесор (DSP) стискає динамічний діапазон, щоб тихі звуки стали чутними, а гучні звуки не спричиняли дискомфорту, застосовує спрямовану фільтрацію для підкреслення сигналу перед користувачем та пригнічує зворотний зв'язок між мікрофоном і приймачем.
• У консолі студії звукозапису DSP застосовує параметричну еквалайзерну обробку до кожного каналу, виконує багатосмугову компресію та лімітування, додає ефекти реверберації та затримки, а також направляє сигнали на кілька вихідних шин — одночасно, на десятках каналів.

Кожен з них являє собою окремий набір алгоритмів, але всі вони мають однакову фундаментальну структуру: ядро ​​цифрового сигнального процесора (DSP), входи АЦП, виходи ЦАП та вимогу виконання в реальному часі. Наслідки такої структури для проектування друкованої плати є предметом подальших розділів цієї статті.

Алгоритми Core Audio DSP

Алгоритми аудіо DSP поділяються на кілька практичних груп: формування звуку, керування поведінкою динаміка, покращення чіткості голосу та створення просторових ефектів. Разом вони визначають, яка обчислювальна потужність потрібна аудіочіпу DSP.

Ключові групи алгоритмів

• Формування звуку: FIR та IIR-фільтри, параметричний еквалайзер, графічний еквалайзер та корекція приміщення регулюють частотний баланс, фазову поведінку та тональну точність.
• Керування динаміком: Цифрові кросовери, затримка, лімітер та еквалайзер для кожного драйвера допомагають направляти звук до потрібного драйвера динаміка, одночасно захищаючи систему.
• Контроль рівня: Компресори, лімітери, експандери та нойз-гейти керують гучністю та запобігають спотворенню або перевантаженню.
• Обробка голосу: Придушення луни та шуму покращує якість дзвінків, зменшуючи зворотний зв'язок, шум у приміщенні та небажаний фоновий звук.
• Просторова обробка: HRTF, Dolby Atmos, DTS:X та розширена корекція кімнатної обстановки створюють сильніше відчуття простору, напрямку та занурення.

На практиці ці функції часто працюють разом. Наприклад, розумний динамік може одночасно використовувати еквалайзер, кросоверну фільтрацію, лімітування, придушення луни та шуму.

Як ці алгоритми впливають на вибір чіпа

Головний висновок простий: чим більш адаптивною, багатоканальною або просторовою стає обробка аудіо, тим потужнішим має бути чіп DSP.

Застосування аудіо DSP у різних галузях промисловості

Аудіо DSP використовуються скрізь, де потрібно очистити, сформувати, захистити або просторово контролювати звук. Робоче навантаження залежить від типу продукту: деякі пристрої надають пріоритет низькому енергоспоживанню та малому розміру, тоді як іншим потрібна велика кількість каналів, низька затримка та розширена обробка в реальному часі.

Основні області застосування

Проектування друкованої плати аудіо DSP: виклик змішаного сигналу

Аудіодрукована плата цифрового сигнального процесора (DSP) за своєю суттю є конструкцією зі змішаним сигналом: вона містить як високоточну аналогову схему (вхідні каскади АЦП, вихідні фільтри ЦАП, підсилювачі вхідного аудіо), яка визначає співвідношення сигнал/шум системи, так і схему цифрового перемикання (ядро DSP, тактовий генератор, інтерфейси пам'яті), яка генерує шум на гармоніках тактової частоти. Фундаментальна проблема проектування полягає в запобіганні потраплянню цифрового шуму до аналогової секції, оскільки зниження рівня шуму, яке осцилограф може навіть не відображати чітко, чутно в аудіоконтексті. Людський слух може виявляти артефакти на 90–120 дБ нижче рівня сигналу; це не є сприятливим середовищем для електронного проектування.

Планування поверху: перше і найважливіше рішення щодо планування

Найефективнішим методом зменшення шуму є фізичне розділення. Якщо АЦП, ЦАП, аналогові вхідні підсилювачі та доріжки аудіосигналу розміщені в одній області плати — аналоговій зоні — а мікросхема DSP, цифрова пам'ять, генератор тактової частоти та імпульсний регулятор розміщені в окремій області — цифровій зоні — струми заземлення від цифрової комутації природним чином залишаються в цифровій зоні, не протікаючи через шлях заземлення аналогової секції. Після правильного планування поверху будь-який інший метод зменшення шуму працює краще, оскільки має менше роботи. Зміна цього рішення — наприклад, розміщення мікросхеми DSP поруч із вхідним каскадом АЦП — робить шумові характеристики аналогового сигнального ланцюга дуже важкими для відновлення, незалежно від того, наскільки ретельно виконана решта компонування.

Правила планування поверху для аудіо друкованих плат DSP:

• Розмістіть секцію аналогового входу — роз'єм, вхідний фільтр, будь-який передпідсилювач та АЦП — разом, подалі від мікросхеми DSP та схеми тактової частоти.
• Розмістіть ЦАП та вихідний фільтр разом на аналоговій стороні, направляючи аналоговий вихід подалі від DSP до досягнення будь-якого роз'єму або вихідного підсилювача.
• Мікросхема DSP, її розділові конденсатори, генератор тактової частоти та будь-яка пов'язана з нею SPI-флеш-пам'ять або EEPROM знаходяться в цифровій зоні.
• Блок живлення, особливо будь-який імпульсний регулятор, розташовується на периферії плати, подалі від аналогових та цифрових сигнальних шляхів, а його індуктивність та вузол перемикання орієнтовані таким чином, щоб магнітний потік не передавався на сусідні доріжки.
• Якщо цифровий аудіоінтерфейс I²S або TDM підключає DSP до зовнішнього кодека, прокладіть цей інтерфейс через нейтральну зону між аналоговою та цифровою секціями, а не через будь-яку з цих секцій.

Правила маршрутизації сигналів для аудіоплат DSP

Аналогові аудіодоріжки є сигналами найвищого пріоритету для захисту. Вони повинні бути короткими, спрямованими подалі від тактової частоти та її гармонік, і ніколи не примикати до високострумових доріжок живлення. Цифрові тактові доріжки, включаючи сигнали MCLK та BCLK інтерфейсів I²S, випромінюють на своїй основній частоті та гармоніках і повинні оброблятися з подібною дисципліною, як і кварцовий генератор: короткими, захищеними та на внутрішньому шарі з опорною площиною зверху та знизу, де це можливо. Загальна ієрархія маршрутизації для аудіоплат DSP: аналогові аудіодоріжки мають бути якомога коротшими; лінії тактової частоти тримайте подалі від аналогових шляхів; прокладайте з'єднання живлення якомога пізніше (після того, як буде завершено маршрутизацію всіх сигналів).

Заземлення, площини та розділення на друкованих платах аудіо DSP

Для проектування друкованих плат аудіо DSP безпечнішим підходом зазвичай є використання однієї суцільної площини заземлення з чіткими зонами розташування аналогових та цифрових елементів. Це дозволяє уникнути ризику електромагнітних перешкод, спричиненого розділеними площинами заземлення, водночас контролюючи зворотні струми.

Принципи компонування

• Використовуйте одну суцільну площину заземлення: Це забезпечує кожному сигналу короткий зворотний шлях з низьким імпедансом.
• Розділіть розміщенням, а не різанням міді: Аналогові схеми слід розміщувати в аналоговій зоні, а цифрові схеми — в цифровій зоні.
• Уникайте трасування через проміжки в площинах: Розщеплення або проріз може призвести до зворотного струму у велику петлю та збільшення електромагнітних перешкод.
• Контрольні пункти пропуску: Сигнали, такі як I²S, повинні перетинатися між зонами в одному визначеному місці.
• Додайте за допомогою зшивання, де потрібно: Заземлюючі переходи можуть допомогти стримувати шум і покращити екранування навколо чутливих аналогових секцій.

Розробка блоків живлення для малошумних аудіо DSP-плат

Аудіоплата DSP потребує як ефективного цифрового живлення, так і чистого аналогового живлення. Архітектура живлення повинна запобігати перемиканню шуму від АЦП, ЦАП, тактових генераторів та аналогових аудіотрактів.

Короткий опис проекту електропостачання

Розташування АЦП та ЦАП на друкованих платах аудіо DSP

АЦП та ЦАП – це інтерфейси між світом аналогового аудіо та цифровим простором цифрового сигнального процесора (DSP). Їх розміщення, конструкція живлення та маршрутизація вхідних і вихідних ліній безпосередньо впливають на співвідношення сигнал/шум аудіосистеми, динамічний діапазон і характеристики спотворень.

Розміщення та маршрутизація фільтрів згладжування

Перед входом АЦП потрібен фільтр згладжування — фільтр низьких частот, який видаляє будь-який сигнал вище частоти Найквіста (половина частоти дискретизації) — для запобігання артефактам від накладання сигналів. Для частоти дискретизації 48 кГц фільтр згладжування повинен значно послаблювати сигнали вище 24 кГц. Компоненти фільтра (резистори та конденсатори для RC-фільтра або операційний підсилювач та пасивні компоненти для активної топології Саллена-Кея або MFB) розташовуються безпосередньо перед аналоговим входом АЦП і повинні бути прокладені короткими доріжками, щоб мінімізувати вплив високочастотних перешкод. Якщо вхідний сигнал надходить з довгої доріжки, що йде від роз'єму, ця доріжка діє як антена; розміщення RC-фільтра близько до входу роз'єму зменшує енергію, яка досягає АЦП.

Вихідний фільтр ЦАП та вихідний каскад

Вихідний сигнал ЦАП має ступінчасту форму хвилі — він змінюється дискретними стрибками з частотою дискретизації та містить артефакти зображення на гармоніках частоти дискретизації, які має видалити реконструкційний фільтр, перш ніж сигнал досягне підсилювача або роз'єму. Реконструкційний фільтр (зазвичай пасивний RC-фільтр або активний фільтр операційного підсилювача) розташовується одразу після вихідного контакту ЦАП, в аналоговій зоні. Вихідний підсилювач — буфер операційного підсилювача або драйвер класу D — слідує за ним. Маршрутизація виходу ЦАП через будь-яку частину цифрової зони між ЦАП і фільтром створює можливість додавання перешкод тактової частоти до аналогового сигналу; цього необхідно уникати, зберігаючи весь вихідний шлях ЦАП в аналоговій зоні від контакту ЦАП до вихідного роз'єму.

Диференціальні сигнальні шляхи для високопродуктивних АЦП та ЦАП

Високопродуктивні аудіо АЦП та ЦАП використовують диференціальні сигнальні шляхи — два комплементарні сигнали, що несуть аудіо, а не один односторонній сигнал, що прив'язаний до землі. Диференціальна сигналізація забезпечує придушення синфазного шуму: будь-який шум, що порівну потрапляє на обидві доріжки, віднімається на приймальному вході. Саме тому професійні аудіоінтерфейси використовують балансні з'єднання (XLR, TRS з кільцевою втулкою), і саме тому трасування доріжок друкованої плати для аналогового сигнального шляху на високоякісній аудіо DSP-платі направляє сигнал як диференціальну пару на всьому шляху від вхідного роз'єму до входу АЦП та від виходу ЦАП до вихідного роз'єму. Підтримка однакової довжини, однакової ширини доріжок та однакової геометрії трасування між двома доріжками в диференціальній парі є важливою для збереження придушення синфазного шуму — так само важливо, як і для високошвидкісних цифрових диференціальних пар, але з протилежних причин (завадостійкість, а не цілісність сигналу).

Тактова частота та тремтіння: чому продуктивність аудіо АЦП та ЦАП залежить від якості тактової частоти друкованої плати

Синхронізатор, який визначає, коли АЦП дискретизує аналоговий вхід і коли ЦАП оновлює свій вихід, має бути надзвичайно стабільним. Тремтіння тактової частоти — коливання синхронізації фронтів тактової частоти — перетворюється безпосередньо на шум на перетвореному сигналі за допомогою механізму, який називається тремтінням апертури. Для 24-бітного ЦАП, що працює на частоті сигналу 20 кГц, тремтіння апертури, необхідне для утримання шуму тремтіння нижче рівня шуму квантування, становить менше 1 пс RMS. Цього можна досягти за допомогою хорошого генератора VCXO або TCXO та ретельного компонування друкованої плати — коротких тактових доріжок, чистого живлення генератора, відсутності трасування поруч із імпульсними регуляторами — але це легко погіршується через неправильний вибір компонування. Асинхронні перетворювачі частоти дискретизації (ASRC) використовуються в деяких конструкціях саме для пересинхронізації аудіоданих з локального генератора з низьким тремтінням, усуваючи залежність від якості тремтіння вхідного тактового сигналу.

Виготовлення та складання друкованих плат аудіо DSP у Highleap Electronics

Highleap Electronics – це завод з виготовлення та складання друкованих плат. Плати аудіо DSP представляють категорію, яку ми регулярно виготовляємо – від невеликих партій плат контролерів активних гучномовців та друкованих плат слухових апаратів до автомобільних аудіо DSP модулів та професійних аудіоінтерфейсних плат у великих обсягах. Вимоги до виробництва аудіо DSP плат мають деякі специфічні характеристики, які стандартне виробництво друкованих плат не завжди враховує без чіткого розгляду.

Вимоги до виготовлення, специфічні для аудіоплат DSP

Вимога до контрольованого імпедансу для аудіоплат DSP відрізняється від чисто цифрової конструкції. У той час як цифрова плата потребує контрольованого імпедансу в першу чергу для своїх високошвидкісних цифрових інтерфейсів (DDR, PCIe), аудіоплата має додаткову вимогу до аналогового імпедансу: аналогові аудіодоріжки від вхідних роз'ємів до АЦП та від ЦАП до вихідних роз'ємів повинні підтримувати заданий імпеданс джерела та навантаження, щоб уникнути чутних коливань частотної характеристики. Підтвердження суміщення має враховувати вимоги як до аналогового, так і до цифрового імпедансу, що може вимагати різної ширини доріжок на різних шарах. Ми надаємо підтверджені розрахунки суміщення, використовуючи фактичні значення Dk ламінату з нашого виробничого процесу для кожної конструкції з контрольованим імпедансом, включаючи аудіоплати DSP.

Якість заземлення має надзвичайно важливе значення на аудіоплатах. Будь-які порожнечі, щілини або нерівномірне видалення міді з шару заземлення під секцією аналогового сигналу, спричинені зазорами між переходними отворами, поганим плануванням підлоги або недбалим управлінням заливкою міді, порушують шлях зворотного струму для чутливих аналогових сигналів і підвищують рівень шуму. Наші огляд DFM попереднього виготовлення перевіряє цілісність заземлювальної площини в аналоговій секції як спеціальний елемент аудиту для аудіоконструкцій, а не як загальну перевірку заповнення площини.

Для автомобільних аудіоплат DSP, виробничі специфікації повинні додатково враховувати:

• Високотемпературний ламінований матеріал, що відповідає вимогам термоциклування продукту (ISOLA 370HR або еквівалент, якщо стандарт FR-4 недостатній).
• Сумісність конформного покриття — автомобільні плати часто покриваються конформним покриттям після складання, що вимагає відповідної обробки поверхні та специфікацій зазорів компонентів.
• Поверхнева обробка з розширеним діапазоном температур — ENIG (безструмове нікелеве занурення в золото) є кращою за HASL для автомобільних застосувань, де паяльність повинна залишатися незмінною протягом усього терміну служби виробу.

Рекомендації щодо складання аудіоплат DSP

ADAU1701 у корпусі 48-LQFP є відносно доступним SMT-компонентом — корпусом 7 мм × 7 мм з кроком виводів 0.5 мм, що відповідає можливостям стандартного SMT-обладнання без спеціальних технологічних вимог. ADAU1452 у корпусі 144-TQFP та більші варіанти BGA сімейства SHARC вимагають більшої точності розміщення, а для BGA — рентгенівського контролю після оплавлення як стандарту — того ж самого. Збірка BGA Тут застосовується дисципліна, описана в нашій статті про друковану плату DSP Chip.

Пасивні компоненти аналогової секції потребують уваги на етапі складання. Конденсатори фільтрів згладжування, вихідні конденсатори фільтрів ЦАП та керамічні елементи розв'язки живлення для АЦП і ЦАП слід перевірити на правильність орієнтації (де важлива полярність) та на допуск значення — 1% конденсатор у критичному положенні аудіофільтра, що створює помилку частотної характеристики, є однією з найпоширеніших несправностей аудіоплати, яка проходить простий електричний тест «годен/негоден», але призводить до чутних забарвлень. Наші виробничі випробування аудіоплат DSP включають електричну перевірку аналогового сигнального ланцюга на частоті, де замовник надає тестові вектори та критерії «годен/негоден», а не лише перевірку цілісності та наявності компонентів.

Для слухових апаратів та носимих аудіоплат, де друкована плата може бути жорстко-гнучкою або надтонкою конструкцією з компонентами 0201 та 01005, процес складання вимагає дисципліни обладнання та оператора, що відрізняється від стандартного складання побутової електроніки. Ми виконуємо ці збірки як спеціалізовані програми зі спеціалізованим налаштуванням процесу та перевіркою першої одиниці виробу перед випуском виробничих партій.

Підбір компонентів для аудіо DSP-програм

Програми аудіо DSP залежать від компонентів, які іноді стикаються з обмеженнями поставок: ADAU1701 та ADAU1452 мали терміни виконання 20–52 тижні в періоди високого попиту; кварцові генератори та прецизійні аудіоконденсатори (плівкові та типу NP0/C0G) аналогічно скорочують пропозицію під час стрибків попиту. Наші джерело компонентів Постачальники послуг DSP-чіпів та пов'язаних з ними аналогових компонентів через авторизовані канали дистрибуції. Для програм з тривалими виробничими зобов'язаннями ми консультуємо щодо стратегій створення запасів, щоб забезпечити безперебійне виробництво під час перебоїв у постачанні.

Незалежно від того, чи створюєте ви перший прототип активного гучномовця на базі ADAU1701, масштабуєте Bluetooth-навушники з цифровим сигнальним процесором для масового виробництва, чи вперше впроваджуєте автомобільний аудіомодуль на заводі, шлях від проектування до виробництва починається з перевірки DFM, яка підтверджує технологічність плати та правильність плану змішаного сигналу ще до виготовлення першої плати. Ця перевірка є безкоштовною та є найекономічнішою частиною виробничого процесу.

Найчастіші запитання щодо аудіо DSP

Який найпопулярніший аудіочіп DSP для DIY та вбудованих проектів?

Analog Devices ADAU1701 — це найпоширеніший спеціалізований аудіопроцесор DSP для розробки вбудованих продуктів і популярний вибір для саморобних проектів активних динаміків. Він об'єднує 28/56-бітне ядро ​​DSP, два АЦП, чотири ЦАП та інтерфейси I²S/SPI на одному кристалі, працює автономно від зовнішньої EEPROM і програмується графічно за допомогою безкоштовного програмного забезпечення SigmaStudio від Analog Devices без написання коду. ADAU1452 — це високопродуктивний наступник для конструкцій, що потребують більшої обчислювальної потужності або більшої кількості каналів вводу/виводу.

Яка різниця між аудіо DSP та звичайним підсилювачем?

Підсилювач змінює рівень аудіосигналу — він робить його гучнішим або узгоджує його з імпедансом навантаження. Аудіо DSP обробляє сигнал математично: він може змінювати його частотний склад (еквалізація), змінювати його динамічний діапазон (стиснення/лімітування), розділяти його на частотні смуги (кросовер), вимірювати та придушувати шум (ANC), додавати просторові ефекти та застосовувати часові затримки. Більшість сучасних аудіосистем використовують обидва: DSP для обробки сигналу та підсилювач для керування динаміками. Багато інтегрованих аудіопродуктів поєднують обидва на одній друкованій платі.

Що таке активне шумозаглушення і як DSP його забезпечує?

Активне шумозаглушення (ANC) використовує мікрофон для семплювання шуму, перш ніж він досягне вуха слухача, інвертує фазу цього семплованого шумового сигналу (множачи кожен семпл на -1) та додає інвертований сигнал до аудіовиходу. Коли інвертований шум досягає вуха одночасно з вихідним шумом, що надходить по повітрю, вони обидва компенсуються — послаблюючи сприйнятий рівень шуму на 25–40 дБ для низькочастотного контенту. DSP обробляє інверсію, регулювання затримки (щоб інвертований сигнал надходив у потрібний час) та адаптивні алгоритми, які оновлюють сигнал заглушення в міру зміни шумового середовища. Все це працює в режимі реального часу з частотою семплювання аудіо; це практично лише на виділеному ядрі DSP, оскільки універсальний процесор споживатиме забагато енергії для часу автономної роботи навушників.