Audio w elektronice mobilnej - nowy front walki o klienta

Pierwszy telefon z funkcją odtwarzania plików mp3 pojawił się na rynku w 2001. Od tamtego czasu smartfony praktycznie zastąpiły odtwarzacze mp3 jako przenośne urządzenie do słuchania muzyki. Mimo to jakość dźwięku zawsze była w cieniu innych parametrów telefonu. Wynika to z kilku czynników. Przede wszystkim dla wielu użytkowników kwestia ta nadal nie jest kluczowa podczas zakupu. Klienci porównują różne modele przede wszystkim na podstawie systemu operacyjnego, aparatu czy pojemności baterii, dużo rzadziej na podstawie oferowanych doznań dźwiękowych. Dodatkowo jest to cecha trudna do zmierzenia i często subiektywna w ocenie, w odróżnieniu od liczby megapikseli czy czasu pracy bez ładowania. Jednak mimo że wielu użytkowników może nawet nie mieć świadomości o ograniczeniach cyfrowego dźwięku, finalny efekt jest przez nich odczuwalny w postaci gorszej jakości brzmienia.

Dźwięk coraz ważniejszy

Sytuacja na rynku jednak zaczyna się zmieniać. Motorem zmian jest sukces serwisów streamingowych oraz spadek cen Internetu mobilnego. Wielu dostawców już teraz oferuje możliwość dostarczania muzyki bez kompresji stratnej. Według raportu firmy analitycznej SAR Insight & Consulting w 2020 roku 25% wszystkich subskrypcji do serwisów audio będzie obejmować bezstratną jakość dźwięku.

Uzyskanie wysokiej jakości dźwięku w urządzeniach mobilnych nie jest łatwe. Dobry układ audio powinien zapewnić głęboki i czysty dźwięk bez zniekształceń i szumów. Rozbudowany układ toru audio jest barierą dla niewielkich wymiarów i ciężaru oraz pojemności baterii. Kluczowa jest jakość przetwornika cyfrowo-analogowego DAC, która ma kluczowy wpływ na ostateczną jakość muzyki w słuchawkach.

W nowoczesnych przetwornikach DAC stosuje się nadpróbkowanie po to, aby obniżyć poziom szumów w paśmie użytecznym, poprawić jakość sygnału i ułatwić dalszą obróbkę cyfrową przy jednoczesnym uproszczeniu konstrukcji stosowanych filtrów. Wykorzystywane są przetworniki typu sigma-delta, czyli 1-bitowe z modulacją PDM (gęstości impulsów). Poza powyższymi układ DAC może być wyposażony w bibliotekę cyfrowych filtrów audio dających dodatkowe możliwości przetwarzania sygnału (korekcji charakterystyki).

Jednym z istotnych parametrów układów DAC jest też zakres dynamiczny, czyli różnica głośności między najcichszym a najgłośniejszym dźwiękiem. Dodatkowo cyfrowa obróbka sygnału dźwiękowego prowadzi do efektu tzw. preringingu, czyli niechcianych oscylacji przed dźwiękiem właściwym. Zastosowane w układzie filtry muszą być w stanie zminimalizować ten efekt, aby nie był słyszalny. Osiągnięcie wysokich parametrów wymusza użycie zewnętrznego przetwornika, zamiast tych wbudowanych w układ procesora.

Sygnał analogowy z DAC przesyłany jest do wzmacniacza, który w dużej mierze determinuje finalną jakość dźwięku, a więc dużą moc znamionową, pasmo przenoszenia, niskie zniekształcenia i szumy. W wielu przypadkach wzmacniacz jest integrowany razem z DAC w ramach jednego układu scalonego.

Oprócz warstwy sprzętowej, dla audio wysokiej jakości równie ważny jest software, czyli dobre dopasowanie oprogramowania firmware do użytego przetwornika DAC. Zwykle wykorzystuje się standardowe kodeki audio dostarczane w ramach systemu operacyjnego, te adresowane do miłośników muzyki zwykle korzystają z bardziej zaawansowanych algorytmów i najczęściej są tworzone przez producenta układu przetwornika.

Innowacje

W ostatnich latach wyraźna była tendencja do umieszczania funkcji audio w głównym procesorze telefonu, jednak rynek układów DAC nadal jest na tyle atrakcyjny, aby przyciągnąć takich gigantów jak Texas Instruments czy Qualcomm. Jest to obszar wymagający dużej wiedzy i doświadczenia, dlatego też ciekawe rozwiązania pochodzą od firm, dla których stanowi to trzon działalności.

Przykładem jest Cirrus Logic, obecnie główny dostawca układów audio dla Apple, który wyspecjalizował się w produktach audio po tym, jak w 2014 roku przejął brytyjskiego producenta Wolfson Microelectronics. Atutem układów Cirrusa jest architektura ograniczająca liczbę zewnętrznych elementów pasywnych, co sprzyja możliwości miniaturyzacji.

Innym przykładem firmy o silnej pozycji w branży jest ESS Technologies, fablesowy producent układów audio na rynek elektroniki użytkowej. Flagowym produktem firmy jest seria układów SABRE, czyli 32-bitowych przetworników DAC o zaawansowanych funkcjach obróbki sygnału. Układ ES9218, najnowszy w serii, po raz pierwszy trafił na rynek w telefonach V20 firmy LG. Model ten zyskał pozytywnie opinie klientów m.in. ze względu na wysoką jakość dźwięku.

SABRE stosują technologię Quad DAC, to znaczy przetwarzanie sygnału przez kilka równoległych układów DAC, co według producenta ma przełożenie na wyjątkowo niski poziom szumu w sygnale wynikowym. Układ wyposażony jest w funkcję analogowej kontroli głośności oraz zintegrowany wzmacniacz słuchawkowy klasy Hi-Fi. Zastosowano w nim również technologię buforowania sygnału wejściowego i jego następne taktowanie wewnętrznym zegarem (system TDJE - Time Domain Jitter Eliminator) w celu redukcji błędów synchronizacji. W przypadku, jeśli sygnał nie wymaga wysokiej jakości dźwięku, jak np. rozmowa przez telefon, możliwe jest wyłączenie zaawansowanych funkcji DAC. Zmniejszenie stopnia przetwarzania sygnału ma na celu optymalizację zużycia energii, co jest szczególnie pożądane w elektronice mobilnej.

Podsumowanie

Wysoka jakość audio to tematyka, która staje się coraz bardziej istotna z uwagi na nasycający się rynek elektroniki mobilnej. Aby przekonać użytkowników do kupna nowych modeli, konieczne są innowacje i wszystko wskazuje, że w kolejnych latach będzie ich coraz więcej.

Jacek Dębowski