В этом материале мы рассмотрим модуль цифровой обработки сигналов звуковой частоты BM2114dsp, предназначенный для построения высококачественных аудиосистем и их точной настройки под пространство прослушивания.
Он способен полностью раскрыть потенциал любого усилителя и акустической системы, преобразить звук как профессиональных, так и бюджетных динамиков. Модуль можно с успехом использовать для построения домашних кинотеатров, систем оповещения, студий звукозаписи, обеспечения качественного звука в автомобиле и квартире, а также просто для удовлетворения потребностей любителей качественного звука.
Основные технические характеристики модуля BM2114dsp:
| Разрядность внутренней обработки сигнала | 56 бит |
| АЦП – разрядность, отношение сигнал/шум | 24 бита, 100дБ |
| ЦАП – разрядность, отношение сигнал/шум | 24 бита, 104дБ |
| Аналоговые линейные входы | 2-канальный вход, 1 вольт RMS, разъем RCA |
| Аналоговые линейные выходы | 4-канальный выход, 1 вольт RMS, разъем RCA |
| Разъем передачи данных (питания) | USB |
| Кроссовер | 6 - 48 дБ/октава, с выбором типа фильтра |
| Эквалайзер | Параметрический (количество каналов задается пользователем) |
| Временные задержки | до 1024 семпла шаг 1 семпл |
| Регулировка уровня сигнала для любого канала | независимо |
| Питание | 5В 100мА |
| Программное обеспечение | Analog Devices SigmaStudio™ |
| Габаритные размеры (ДхШхВ), мм | 89х62х25 |
Модуль построен на микросхеме ADAU1701. Эта микросхема, разработанная фирмой Analog Devices, является полной однокристальной аудиосистемой с 28-/56-битным DSP (Digital Signal Processor), включающей в себя аналого-цифровые (АЦП, ADC), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП, DAC), контроллеры интерфейса управления, шин I2C и SPI, а также систему PLL (ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты задающего генератора). Обработка звука включает в себя функции выравнивания (эквалайзер), усиления басов, обработки многополосной динамики, разделения частот (кроссовер), компенсации задержки и громкоговорителей, расширения стереобазы. Питание микросхемы осуществляется постоянным напряжением 3,3В.
Рис.1 Структурная схемы чипа ADAU1701:
Обработка звукового сигнала может быть использована для компенсации искажений, вносимых реальным окружением, свойствами среды прослушивания, размещением и ограничениями звукоизлучающих устройств. В конечном счете, обработка сигнала в ADAU1701 приводит к существенному улучшению качества звука, тем самым приближая результат к high-end студийному оборудованию.
Большая часть обработки выполняется в полном 56-битном режиме (с двойной точностью), что приводит к отличным результатам даже при низком уровне входного сигнала.
Модуль является полностью программируемым DSP. Для программирования используется программное обеспечение SigmaStudio™ с графическим интерфейсом, который позволяет визуально, в виде блоков и трасс, настраивать пути прохождения и способы обработки сигналов. При этом используются такие блоки, как фильтры, динамические процессоры, регуляторы уровня, а также интерфейс управления расположенными на плате модуля вводами-выводами общего назначения (GPIO), предназначенными для подключения внешних элементов регулировки: кнопок, переменных резистор, а также внешних АЦП, ЦАП и индикаторных светодиодов. Внешние элементы позволяют изменять параметры обработки сигнала при автономной работе без подключения к компьютеру.
Результатом программирования в SigmaStudio™ является код, который может быть загружен в постоянное запоминающее устройство микросхемы ADAU1701 и запущен при включении питания.
Для преобразования аналогового сигнала в цифровой и обратно в микросхеме используются сигма-дельта АЦП и ЦАП, что позволяет достичь высоких параметров преобразователей. Два АЦП и четыре ЦАП обеспечивают динамический диапазон 98,5 дБ. Каждый АЦП имеет THD+N (коэффициент нелинейных искажений + шум) на уровне -83 дБ, каждый ЦАП имеет THD+N на уровне -90 дБ.
Для программирования модуль подключается к компьютеру с помощью USB-разъема типа B, от которого он получает питание 5В. Питание 5В также можно подать на выводы 5V-IN и GND разъема PLS на плате. В качестве интерфейса USB использован микроконтроллер CY7C68013A фирмы Cypress с внешней памятью программ. Он способен поддерживать высокоскоростной обмен данными по стандарту USB. Драйвер входит в состав SigmaStudio™ и устанавливается при инсталляции программы. В операционной системе Windows (мы использовали Windows 7) модуль определяется в диспетчере устройств как Analog Devices USBi (programmed).
Для работы программы SigmaStudio™ не является обязательным подключение модуля к компьютеру. Вначале можно разработать и скомпилировать проект, а затем подключить модуль и загрузить в него код.
Разберем, как нужно включать модуль в состав звуковых систем.
Рис.2, 3 Внешний вид модуля BM2114dsp
На два входа модуля подается стереосигнал от источника, а с четырех выходов (в общем случае) снимается обработанный аудиопроцессором сигнал для дальнейшего усиления и подачи на акустические системы. Обращаем ваше внимание на то, что для каждого выхода нужен отдельный канал усиления. Приведем несколько типичных примеров построения аудиосистем.
Рис.4 Пример построения двухполосной стерео аудиосистемы
Рис.5 Пример построения трехполосной стерео аудиосистемы с субвуфером на основе двух модулей BM2114dsp
Рис.6 Пример построения четырехполосной стерео аудиосистемы на основе двух модулей BM2114dsp
Для защиты высокочастотных динамиков рекомендуется подключать их через пленочный конденсатор. Емкость конденсатора в микрофарадах рассчитывается по формуле C=1000000/(2*3.14*R*F), где R-сопротивление ВЧ-динамика в омах, F-частота в герцах. Частота выбирается в 3-4 раза ниже частоты раздела. Для недорогих динамиков можно использовать конденсаторы типа К73-16, К73-17.
При подключении внешних устройств к контактам GPIO есть некоторые особенности, которые следует обязательно учитывать.
Все устройства нужно подключать только при отключенном питании.
При подключении внешних устройств первым нужно подключать вывод GND (Земля).
Внешние устройства подключаются к контактам MPx напрямую. Контакты рассчитаны на работу с логическими уровнями 3,3В. Они не имеют защиты от помех, перенапряжения и переполюсовки. Соединительные провода, ведущие к внешним устройствам, должны быть как можно короче.
К модулю можно подключить четыре стерео АЦП и четыре стерео ЦАП. Внешние звуковые АЦП и ЦАП подключаются по шине I2S – одному из стандартных интерфейсов последовательной шины, использующейся для соединения цифровых аудиоустройств.
Назначение сигналов в шине I2S:
- BCLK (Bit clock line) - тактовая частота для данных;
- LRCLK (Word clock line) - частота дискретизации, равная 48кГц;
- SDATA (Данные, 2 канала).
Устройства на шине I2S могут работать в режимах Master или Slave (Ведущий или Ведомый). Только одно из подсоединенных устройств может работать в режиме Master. В режиме Master используются выводы MP10 и MP11. В режиме Slave - выводы MP4 и MP5.
Кроме того, контакты GPIO могут работать в режиме обычного (не звукового) АЦП.
В следующих материалах мы рассмотрим основы программирования в визуальной среде Analog Device SigmaStudio™, а также реализацию звуковых устройств на основе модуля BM2114dsp и других звуковых модулей Мастер Кит.
