ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ АУДИОПРИЛОЖЕНИЙ

Предложенный в начале 80-х гг. прошлого столетия для передачи звука в цифровом формате интерфейс S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format) первоначально предназначался для CD-плееров. Впоследствии этот интерфейс стали использовать и в других бытовых устройствах для передачи цифровых аудиоданных, например в MiniDisc- и аудио-DVD-плейерах, аппаратуре домашних кинотеатров, проигрывателях и аппаратуре Hi-Fi и Hi-End, во внешних аудиоЦАП, звуковых картах персональных компьютеров и т.п.
S/PDIF — это, по сути, одна из версий интерфейса AES/EBU (Audio Engineering Society/European Broadcast Union), ориентированного на использование в профессиональной аппаратуре для передачи аудиоданных в цифровом формате.
S/PDIF — двухпроводной интерфейс для передачи цифровых аудиоданных по несимметричной линии. Основные параметры интерфейсов приведены в таблице 1 [1, 2].

В спецификации S/PDIF предусмотрена также возможность использования волоконно-оптического кабеля вместе с соответствующими разъемами TOSLINK (TOShiba-LINK) и встроенными в них приемопередатчиками. Преимущество оптического кабеля — высокая надежность и электромагнитная помехоустойчивость. И хотя в настоящее время в современных высококачественных аудиоустройствах, прежде всего в проигрывателях типа SACD  и DVD, все чаще используются более универсальные высокоскоростные интерфейсы USB2.0 или FireWire (IEEE 1394), позволяющие передавать не только многоканальный цифровой звук, но и видеоданные в цифровом формате с высоким разрешением, интерфейс
S/PDIF все еще широко используется в различных аудиоприложениях.

В настоящее время несколько ведущих производителей, таких, как Cirrus Logic (www.cirrus.com), Sanyo (LC8905V), STMicroelectronics (STA120), Texas Instruments, Wolfson (www.wolfson.com) и другие, выпускают микросхемы приемопередатчиков для интерфейса S/PDIF. Основные параметры микросхем, предназначенных для приема и декодирования сигнала, передаваемого через интерфейс S/PDIF, приведены в таблице 2.

В аудио-CD-плеерах данные, как правило, передаются с частотой выборки 44,1 кГц, что соответствует скорости передачи данных через интерфейс 2,8224 Mбит/с. В проигрывателях DVD-аудио максимальная частота выборки при передаче данных составляет 192 кГц.

Для того чтобы упростить аналоговую фильтрацию и улучшить параметры выходного звукового сигнала в цифровых аудиоустройствах, зачастую перед ЦАП включают микросхемы, искусственно увеличивающие частоту дискретизации Fs. Такой процесс называется «передискретизация» (upsampling), а устройства, обеспечивающие повышение или понижение частоты выборки, называются SRC-преобразователями (Sample Rate Conversion — преобразование частоты выборки). Такие преобразователи — неотъемлемый атрибут всех мультиформатных цифровых аудиоустройств (компьютерных звуковых карт, DVD-проигрывателей, аппаратуры домашних кинотеатров и т.п.). Передискретизация не улучшает качество записи фонограммы, использование этого метода всего лишь упрощает фильтрацию аналогового сигнала (т.е. снижает требования к параметрам выходного ФНЧ). Более того, если фонограммы записаны с частотой дискретизации 96 кГц и выше, необходимость в использовании стандартных микросхем SRC-преобразователей практически отпадает. Для приема входного и передачи выходного цифрового сигнала в этих микросхемах используется стандартный интерфейс I2S. В микросхемах предусмотрен режим работы master и slave. Основные параметры микросхем SRC-преобразователей приведены в таблице 3 [3, 4].

Кроме приведенной в таблице 3 ИС SRC4193 компания Texas Instruments выпускает микросхему SRC4192, совместимую по расположению выводов с SRC1896 и обеспечивающую возможность только аппаратного управления режимами работы. Параметры SRC4192 аналогичны параметрам SRC4193.

При разработке семейства SHARC-процессоров (ADSP-21362/3/4/5/6/7/8/9, ADSP-21371/5), ориентированных на использование в высококачественных аудиоприложениях, ставилась цель, используя высокопроизводительную и гибкую архитектуру базового 32-разрядного процессорного ядра с плавающей точкой (ADSP-2116x), создать сигнальные процессоры для эффективной многоканальной обработки аудио­сигналов. Архитектура сигнальных процессоров ADSP-21366/367/368 приведена на рисунке 1 [5].

Особенностью этих процессоров является встроенный цифровой аудио­интерфейс (Digital Audio Interface — DAI). Цифровой аудиоинтерфейс обеспечивает высокоскоростной обмен данными с разными стандартными внешними устройствами ввода/вывода аудиоданных через интерфейсы S/PDIF и I2S (SPORT), широко используемые для передачи звука в цифровом формате в профессиональной и бытовой звуковоспроизводящей аппаратуре. Кроме того, в DAI имеются четыре блока SRC-преобразователей и до четырех тактовых генераторов повышенной точности PCG (Precision Clock Generator). Встроенные SRC-преобразователи созданы на базе того же ядра, которое используется в микросхемах асинхронных SRC-преобразователей AD1896 компании Analog Devices. SRC-преобразователи можно применять для синхронного/асинхронного преобразования частоты дискретизации одновременно по двум каналам (обработка стереофонического звука), не используя при этом ресурсы процессорного ядра. Все блоки SRC можно конфигурировать для совместной одновременной работы, что позволяет использовать их для многоканальной обработки звуковых сигналов, при этом обеспечивается минимальное рассогласование фаз между каналами. Кроме того, SRC-преобразователи могут использоваться для уменьшения джиттера цифрового сигнала, возникающего, как правило, при передаче сигнала через канал S/PDIF.
Встроенные в цифровой периферийный интерфейс DPI (Digital Peripheral Interface) контроллеры SPI, UART и TWI (совместимый с I2C) поддерживают обмен данными со стандартными внешними устройствами и микросхемами преобразователей (АЦП/ЦАП) и используются, как правило, для обмена командами управления.
Термин «cупергарвардская архитектура» (SHARC-архитектура) начал применяться после выпуска фирмой Analog Devices сигнальных процессоров с плавающей точкой семейства ADSP-2106x. В отличие от классической гарвардской архитектуры, которая базируется на двух независимых блоках памяти программ и данных, а также двух независимых шинах для обмена с памятью программ и данных соответственно, в архитектуру сигнальных процессоров семейства SHARC добавлены кэш-память программ и специализированный контроллер ввода/вывода. Из-за специфических особенностей алгоритмов цифровой обработки сигналов часть команд при выполнении алгоритмов используется многократно, поэтому, если разместить эти команды в кэш-памяти, можно увеличить эффективность обмена по шине программ, используя ее в отдельные интервалы времени для выборки данных (коэффициентов). Все сигнальные процессоры семейства SHARC имеют встроенную ассоциативную кэш-память программ объемом тридцать два 48-разрядных слова. С помощью соответствующего контроллера DMA осуществляются пересылки данных в режиме прямого доступа между встроенной памятью и периферийными устройствами, что также повышает производительность процессорного ядра. Максимальная тактовая частота процессорного ядра составляет 333 (ADSP-21365/366) или 400 МГц (ADSP-21367/368).

Таблица 4. Длительность выполнения некоторых базовых алгоритмов и математических операций

Таблица 5. Параметры сигнальных процессоров SHARC

Процессорное ядро содержит два полноценных вычислительных устройства PEX и PEY (PE — Processing Element) и относится к вычислительным системам типа SIMD (Single Instruction Multiple Data — один поток команд, много потоков данных). Параллельное выполнение одних и тех же инструкций, оперирующих с разными данными, особенно полезно при обработке стереосигнала. Для формирования адресов операндов процессорное ядро содержит два адресных генератора DAG1 и DAG2. При выполнении SIMD-инструкций и тактовой частоте 400 МГц максимальная производительность достигает 2,4 GFLOPS. Каждое из вычислительных устройств имеет 10-портовый регистровый файл, содержащий тридцать два 32-разрядных регистра. С помощью регистровых файлов поддерживается обмен данными между вычислительными устройствами ядра и встроенной памятью. В SHARC-процессорах благодаря использованию супергарвардской архитектуры появилась возможность в течение одного цикла выполнять выборку инструкции из кэш-памяти программ и четырех операндов из встроенных блоков памяти. Во всех рассматриваемых SHARC-процессорах используется одно и то же базовое процессорное ядро. Для сравнения производительности сигнальных процессоров SHARC в таблице 4 приведено время выполнения некоторых базовых алгоритмов и математических операций, в таблице 5 даны основные параметры сигнальных процессоров [5].
SHARC-процессоры содержат большой объем встроенной памяти типа ROM и SRAM. К примеру, сигнальные процессоры ADSP-21367/8/9 содержат SRAM-память объемом 2 Мбит и масочную ROM объемом 6 Мбит. При тактовой частоте 400 МГц максимальная скорость обмена данными между процессорным ядром и встроенной памятью составляет 6,4 Гбит/с. В рассматриваемых процессорах предусмотрена защита масочной ROM от неавторизованного копирования. В режиме защиты не поддерживается возможность начальной загрузки программного кода из внешней памяти. Выполнение программы в этом случае всегда начинается по адресу, относящемуся к пространству встроенной SRAM- или ROM-памяти. В SHARC-процессорах предусмотрен режим загрузки программного кода из внешней памяти. С помощью программы начальной загрузки осуществляется пересылка программного кода во встроенную память типа SRAM из внешней EPROM- или флэш-памяти либо через порт SPI в режиме master или slave. Следует отметить, что рассматриваемые процессоры могут поставляться с уже запрограммированной масочной памятью, содержащей код для реализации кодеков: PCM, Dolby Digital, Dolby Digital EX, DTS-ES Discrete 6.1, DTS-ES Matrix 6.1, DTS 96/24 5.1, MPEG2 AAC LC и других (www.analog.com). Для обмена данными с внешней памятью имеется 32-разрядная внешняя шина данных и 24-разрядная адресная шина. SHARC-процессоры поддерживают обмен данными с внешней синхронной и/или асинхронной памятью, а также модулями памяти типа DIMM. Частота тактирования SDRAM-памяти составляет 166 МГц, обмен данными со SRAM-памятью выполняется с частотой 55 МГц. Следует отметить, что только в процессорах ADSP-21371/5 реализована возможность выполнения программного кода непосредственно из внешней памяти.
Напряжение питания процессорного ядра и системы ФАПЧ при тактовой частоте 400 МГц составляет 1,3 или 1,2 В при тактовой частоте 333/266 МГц. Напряжение питания буферных схем ввода/вывода — 3,3 В. Стоимость процессоров ADSP-21371 в партии 1000 шт. составляет 13,11…15,73, а ADSP-21368 — 30,67…44,90 долл. США.

В высококачественных системах звуковоспроизведения широко используются 24-разрядные дельта-сигма-ЦАП (AD1955, DSD1794A, WM8740/1, CS4398). Эти дельта-сигма-ЦАП, как правило, содержат два входных порта PCM (Pulse Code Modulation) и DSD (Direct Stream Digital), интерполирующий фильтр и многоразрядный цифровой дельта-сигма-модулятор, который включается между интерполирующим фильтром и собственно ЦАП. Микросхемы AD1955 и DSD1794A содержат преобразователи кода в ток, и выходным сигналом в этих ЦАП является ток, поэтому преобразователи тока в напряжение реализуются с использованием внешних ОУ. Микросхемы CS4398 и WM8740/1 снабжены встроенными преобразователями ток–напряжение и выходным сигналом является напряжение. Для управления работой ЦАП предусмотрены порты SPI или I2C. Имеется возможность отключить встроенный цифровой фильтр, а вместо него использовать внешний. Все ЦАП поддерживают как стерео-, так и монофонический режим. Один из входных портов предназначен для ввода данных в формате PCM (через последовательный стереоаудиоинтерфейс I2S), другой — в формате DSD. Формат PCM, как правило, используется в широко-распространенных CD-проигрывателях, при этом частота выборки Fs составляет 44,1 кГц, а также в аудио-DVD-плейерах (частота выборки 48/96/192 кГц). Формат DSD применяется в SACD-плеерах, в которых используется технология одноразрядного преобразования на основе дельта-сигма-модулятора, тактируемого сигналом частотой 2,8224 МГц. Основные параметры микросхем ЦАП даны в таблице 6 [6, 7].

Таблица 6. Параметры микросхем ЦАП

Основные параметры ОУ приведены в таблице 7. Эти ОУ отличаются низким уровнем шумов и малыми гармоническими искажениями. Спектральная плотность входного шумового напряжения ОУ LT1028 (Linear Technology) в звуковом диапазоне частот составляет 0,85 нВ/. Суммарный коэффициент гармоник (THD+N) ОУ LME49710 (National Semiconductor) на частоте 1 кГц при выходном напряжении 3 В и сопротивлении нагрузки 2 кОм составляет 0,00003%.

Операционный усилитель OPA211 (Texas Instruments) имеет еще более низкие гармонические искажения: всего 0,000015% (F = 1 кГц, Uвых = 3 В, Rн = 600 Ом). Кроме того, все ОУ имеют достаточно широкую полосу пропускания и высокую скорость нарастания выходного напряжения, что позволяет их использовать в высококачественной аудиоаппаратуре разного назначения.

Применение специализированных программируемых процессоров для обработки многоканального цифрового звука позволяет расширить функциональные возможности звуковоспроизводящих устройств, повысить точность обработки сигналов, сократить число используемых компонентов, уменьшить габаритные размеры и, в итоге, снизить их стоимость.

На рисунке 2 приведен пример структурной схемы устройства обработки звуковых сигналов, созданного с использованием рассмотренных выше специализированных микросхем. Применение сигнальных процессоров семейства SHARC позволяет отказаться от использования ряда компонентов (см. рис. 3). В случае использования процессоров с плавающей точкой появляется возможность реализовать на их базе цифровые интерполирующие фильтры с высокими параметрами, а также аудио- и видеокодеки. С учетом того, что в микросхемах ЦАП (AD1955, DSD1794A и др.) предусмотрено отключение встроенного входного интерполирующего цифрового фильтра, расположенного перед цифровым дельта-сигма-модулятором, появляется возможность реализации на базе процессора более высококачественного интерполирующего фильтра с повышением частоты выборки входного сигнала с 44,1/48/96/192 кГц до 384/768 кГц.

Компания Anagram Technologies (www.anagramtech.com) на базе сигнального процессора ADSP-BF532 разработала модуль Sonic 2, в котором осуществляется передискретизация входного сигнала,  представленного в формате PCM (44,1/48/96/192 кГц) или DSD (2,8224 МГц), в PCM-формат с параметрами: частота выборки 384 кГц, число разрядов 24, количество каналов 2, выходной интерфейс I2S. Габаритные размеры модуля 83 × 63 × 15 мм. Напряжение питания 3,3 В. Управление модулем осуществляется через интерфейс SPI.
Рассмотренные в статье микросхемы характеризуются высокими параметрами и ориентированы на использование в высококачественной аудиоаппаратуре разного назначения. Во многих Hi-End-проигрывателях и звуковоспроизводящих устройствах, выпускаемых известной во всем мире японской компанией Accuphase (www.accuphase.com), применяются микросхемы ЦАП AD1955 (Analog Devices). Эти модели отличаются не только очень высоким качеством, но и ценой (10—20 тыс. долл.). К примеру, в одной из последних моделей внешнего ЦАП с аудиопроцессором (DC-801), который используется совместно с SACD-транспортом DP-800, в каждом из звуковых каналов параллельно включены восемь микросхем AD1955, что позволяет, благодаря использованию технологии MDS++ D/A (MDS — Multiple Delta Sigma), улучшить отношение сигнал/шум и снизить уровень гармонических искажений. Модель DC-801 имеет следующие параметры: отношение сигнал/шум 117 дБ, суммарный уровень гармонических искажений в полосе частот 20…20000 Гц составляет 0,0006%. Известный во всем мире производитель аудиоаппаратуры класса Hi-End компания Teac, выпускающая под торговой маркой Esoteric (www.teac.com/esoteric/index) SACD-, DVD- и CD-проигрыватели, в своих моделях также применяет микросхемы AD1955. Так, в модели D-03 (внешний ЦАП) используются по четыре микросхемы AD1955 в каждом из каналов.

В заключение, для сравнительной оценки реальной производительности процессоров при выполнении алгоритмов, которые широко используются в цифровой обработке аудиоданных, приведены количественные показатели производительности процессоров. Для оценки реальной производительности процессоров разных типов при выполнении алгоритмов цифровой обработки сигналов (адаптивного КИХ-фильтра, двойного биквадратного БИХ-фильтра и других типов фильтров, декодера Витерби, БПФ и т.п.) принято использовать обобщенные количественные показатели производительности, получаемые в результате тестирования процессоров с использованием набора тестовых программ BDTI Benchmark. Эти тесты были предложены основанной в 1991 г. независимой ассоциацией BDTI (Berkeley Design Technology, Inc.).

На рисунке 4 приведены показатели производительности, а на рисунке 5 — эффективность использования памяти в процессорах разных типов (www.bdti. сom). Результаты получены при тестировании микросхем с использованием контрольных алгоритмов BDTImark2000. В случае применения процессоров во встраиваемых приложениях первостепенными являются производные показатели эффективности: соотношение производительность/единица стоимости (рис. 6а), производительность/единица потребляемой мощности (рис. 6б).