wersja mobilna
Online: 523 Środa, 2016.12.07

Technika

Wysoka jakość audio w urządzeniach przenośnych

piątek, 18 kwietnia 2008 15:55

Współczesne urządzenia multimedialne są coraz mniejsze i mają coraz więcej możliwości, a podstawowym składnikiem każdego systemu multimedialnego jest system audio. Jednakże projektanci często koncentrują swoją uwagę na bardziej efektownych cechach przenośnych urządzeń multimedialnych, takich jak łączność bezprzewodowa czy też przetwarzanie wideo.

Obwody audio często są traktowane jako mniej ważne elementy, w wyniku czego ich jakość zazwyczaj nie jest dopracowana. Jednakże dobrą jakość systemów audio można osiągnąć nawet stosując zabiegi niezbyt pracochłonne. W niniejszym artykule są przedstawiono sugestie na temat poprawnego projektowania takich systemów.

W czym leży problem?

Rys. 1. Porównanie transmisji sygnału wzmacnianego i niewzmocnionego

Przyczyn złej jakości audio w urządzeniach przenośnych jest wiele. Jedną z nich są zakłócenia wprowadzane do analogowych części układów audio. Zakłócenia nieharmoniczne, czy to białe, czy tonalne, mogą być dla użytkownika bardzo dokuczliwe. Biały szum jest wyraźnie odczuwany jako syczące tło, w czasie przerw między dźwiękami. Szum tonalny jest postrzegany jako brzęczenie lub buczenie, zależnie od częstotliwości. Przedostawaniu się szkodliwych składowych do sygnału audio można poprzez poprawne projektowanie i właściwe rozmieszczenie podzespołów.

W większości systemów audio w układach przenośnych używa się scalonych przetworników C/A lub kodeków, przetwarzających cyfrowe sygnały audio w analogowe. Krytycznym obszarem w urządzeniu jest otoczenie tego przetwornika lub kodeka. Do zasilania tych układów służą liczne doprowadzenia, osobne dla obwodów analogowych i dla cyfrowych, oznaczane często jako AVDD (analogowe) i DVDD (cyfrowe). Zasilanie rozdziela się w ten sposób, ponieważ obwody cyfrowe emitują silne zaburzenia wynikające z bardzo dużej szybkości przełączania prądu. Tymczasem układy analogowe powinny być zasilane stabilnym napięciem, charakteryzującym się minimalnymi tętnieniami.

W urządzeniu przenośnym podstawowym źródłem zasilania jest zazwyczaj bateria lub akumulator. Bywają one źródłem wielu zakłóceń, co wynika z impulsowego charakteru pobieranego prądu. Zamiast więc korzystać z baterii bezpośrednio, warto zastosować stabilizator o niskim spadku napięcia (LDO) i o dobrym współczynniku tłumienia wpływu napięcia oraz o małych szumach. Stabilizator ten powinien zasilać przetwornik C/A audio, a także wzmacniacz. Przy wyborze stabilizatora LDO należy zadbać o jego dostateczną wydajność prądową. Ważne jest również użycie odpowiednich kondensatorów o pojemności co najmniej 10μF, odsprzęgających układy analogowe. Mniejszych kondensatorów wymagają niektóre układy scalone do tłumienia szybkich impulsów. Kondensatory te powinny być umieszczane możliwie najbliżej doprowadzeń odsprzęganych układów, bez pośrednictwa łączących je na płytce ścieżek. Najbliżej powinny być umieszczane kondensatory mniejszej pojemności, ponieważ rezystancje szeregowe silnie wpływają na czas narastania przebiegów.

Obwody zasilania elementów cyfrowych w układach scalonych przetwarzania audio są znacznie mniej wrażliwe na zakłócenia niż obwody zasilania elementów analogowych. Układy cyfrowe mogą więc być zasilane znacznie sprawniejszymi zasilaczami impulsowymi. W zasilaczach takich tętnienia i szumy są wyższe, ale ich ponad 80-procentowa sprawność i większa wydajność przyczyniają się znacznie do przedłużenia czasu korzystania z baterii. W zasilaczach impulsowych duże pojemności odsprzęgające nie są potrzebne, ale mniejsze kondensatory o pojemności rzędu od 1nF do 1μF powinny być stosowane w obwodach cyfrowych, w których przełącza się prąd z bardzo wielkimi częstotliwościami.

Zasady poprawnego projektowania

Rys. 2. Filtracja napięcia polaryzującego mikrofon za pomocą rezystorów i kondensatorów

Inną przyczyną zakłóceń analogowych obwodów audio w urządzeniach przenośnych są szkodliwe sprzężenia. Mechanizm tych sprzężeń może być indukcyjny lub pojemnościowy. Poprawny projekt i rozmieszczenie elementów minimalizują wpływ tych sprzężeń. Jednym ze sposobów, zapewniających bardzo skuteczną eliminację zakłóceń jest używanie różnicowego prowadzenia sygnałów analogowych, o ile tylko jest to możliwe. Ścieżki powinny być prowadzone równolegle, z dopasowaniem impedancji, aby wszelkie zakłócenia indukowały się w nich jednakowo. Tłumienie sygnału wspólnego redukuje słyszalność zakłóceń przez użytkownika.

Drugim praktycznym sposobem chronienia układu przed zakłóceniami jest stosowanie w ścieżkach prowadzonych przez płytkę drukowaną, narażonych na indukowanie zakłóceń, możliwie największej amplitudy sygnału. Poziom przedostających się do ścieżek zakłóceń nie zależy od amplitudy sygnału, zatem wraz z jej wzrostem rośnie stosunek sygnału do szumu, a to oznacza poprawę jakości systemu audio. Jeżeli poziom sygnału audio jest niski, konieczne jest jego wzmocnienie. Jednakże wzmacniacz powinien się znaleźć możliwie blisko wejścia, aby poziom sygnału wzdłuż dalszej jego drogi był wysoki, co zapewni duży stosunek sygnału do szumu.

Zasadę tę zilustrowano na rysunku 1, gdzie mikrofon generuje sygnał A(t) o wielkości 25mVp-p, który musi zostać przesłany do innej części płytki i przed dalszym przetworzeniem wzmocniony do poziomu 1Vp-p. Czerwoną ramką objęto na schemacie ścieżkę, która prowadzi sygnał audio przez płytkę, i w której indukują się zakłócenia E(t). W wariancie A sygnał jest wzmacniany blisko mikrofonu, zanim zostanie przesłany przez płytkę. Dzięki temu stosunek sygnału do szumu osiąga 60dB. W wariancie B sygnał jest wzmacniany po przejściu przez płytkę, wraz z zakłóceniami, rezultatem czego stosunek sygnału do szumu wynosi tylko 28dB. Rysunek ten pozwala zrozumieć, jak wiele zależy od właściwego projektu.

W przypadku, gdy ze względu na koszt lub ograniczenie miejsca, sygnał nie może być wzmacniany w pobliżu źródła, konieczne jest ograniczenie długości linii, przez którą jest przesyłany. Krótsze ścieżki są mniej podatne na indukowanie się zakłóceń.

Systemy audio naprawdę wysokiej jakości

Opisane w artykule zabiegi dotyczą jedynie optymalizacji mierzalnych parametrów układów audio, jakie stosowane są powszechnie w niemal wszystkich produktach, z wyjątkiem tych najtańszych lub źle zaprojektowanych. Jednakże duże znaczenie mają także inne czynniki, jakie wpływają na jakość dźwięków odtwarzanych przez systemy multimedialne. Nie są one łatwe do pomiaru klasycznymi miernikami elektronicznymi ani akustycznymi i przez to są często pomijane przez większość projektantów. Co więcej, brak możliwości uwzględnienia ich w danych technicznych opisujących tworzony produkt sprawia, że nie stanowią one niemal żadnej wartości marketingowej, co tym bardziej przyczynia się do ich pomijania. Tymczasem, w przypadku systemów o wysokim stosunku sygnału do szumu, wysokiej rozdzielczości bitowej odtwarzanego sygnału i częstotliwości próbkowania to właśnie one zaczynają nabierać głównego znaczenia. Czynniki te określane są jako modulatywne i dotyczą stacjonarności układu, w przeciwieństwie do tych addytywnych, do których zalicza się m.in. szum. Ich waga wynika po części z przyzwyczajeń ludzkiego ucha, które potrafi w łatwy sposób oddzielić dźwięki istotne od zakłóceń addytywnych. Zdolność ta pozwala np. na wsłuchiwanie się w wysokiej jakości muzykę, nawet jeśli zza okna dochodzą odgłosy poruszających się samochodów. Tymczasem zakłócenia modulatywne wynikają ze zmian, jakie powstają w torze przetwarzania sygnału audio. Pomimo, że są one bardzo drobne, a ich wielkość mierzona addytywnie za pomocą mierników sygnału audio jest znacznie mniejsza niż np. wprowadzanego szumu, są dosyć dobrze wychwytywane przez ucho ludzkie. Objawiają się np. zmianami tzw. barwy dźwięku, jego przestrzenności, a nawet poczucia lokalizacji w przestrzeni. Odpowiednio zaprojektowane układy, które eliminują wpływ poszczególnych elementów systemu na siebie, pozwalają uzyskać dźwięk tak rozmieszczony w przestrzeni, jak planowali realizatorzy dźwięku, którzy mikrofonowali dane nagranie. Osiąga się to m.in. przez korekcję podstawy czasowej próbek sygnału cyfrowego, z którego w przetworniku C/A generowany jest sygnał analogowy. Ważne jest też, by zminimalizować wibracje, jakie w wyniku działania głośnika mogą przenosić się na zainstalowane układy, co w niektórych przypadkach powoduje delikatne zmiany parametrów tych podzespołów. Dopiero zapewnienie wysokiej stacjonarności toru audio pozwala na uzyskanie dźwięku o naprawdę wysokiej jakości.

Obwody z mikrofonami

Starannego projektowania, w urządzeniach zawierających mikrofony, wymagają także obwody polaryzacji tych podzespołów. Większość, używanych w urządzeniach przenośnych, kapsułkowych mikrofonów elektretowych wymaga napięcia polaryzującego w zakresie od 2V do 3V. Często napięcie to jest dostarczane z układu scalonego, znajdującego się z dala od mikrofonu. Ścieżka polaryzacji zbiera wówczas po drodze zakłócenia, które przenikają wprost do sygnału mikrofonowego. Napięcie polaryzacyjne powinno być w takim przypadku filtrowane za pomocą rezystorów i kondensatorów. Rys. 2. przedstawia pseudoróżnicowy obwód mikrofonowy z filtrem RC, tłumiącym zakłócenia napięcia polaryzacyjnego.

Obwody głośnikowe

We wszystkich systemach audio potrzebne są także przetworniki, umożliwiające użytkownikom słuchanie odbieranych sygnałów audio. W urządzeniach przenośnych przeważnie stosowane są słuchawki, a w niektórych używa się wbudowanych głośników lub wyjść do głośników zewnętrznych. Ponieważ słuchawki, których impedancja przekracza zazwyczaj 16Ω i głośniki o impedancji większej lub równej 4Ω wymagają sygnałów większej mocy, istotne jest zmniejszenie do minimum rezystancji prowadzonych do nich ścieżek. Skutkować to może pogorszeniem się jakości audio, skróceniem czasu korzystania z baterii i niepotrzebnym wzrostem temperatury sytemu. Dlatego przy projektowaniu ścieżek sygnałowych dla słuchawek i głośników należy zadbać, aby były one możliwie krótkie i szerokie.

W tabeli 1 zestawiono wszystkie omówione zalecenia. Zastosowanie ich zapewnia uzyskanie prostymi i tanimi środkami dobrej jakości audio w przenośnych urządzeniach małej mocy.

Tabele

Krzysztof Pochwalski, Marcin Karbowniczek