Audio hi-fi w urządzeniach przenośnych

Pojawiające się multimedialnie i muzycznie zorientowane nowe aparaty komórkowe, odtwarzacze MP3/MPEG4, będą mogły przyciągnąć użytkowników, jeżeli w przyszłości ich podstawowe funkcje audio staną się bardziej wyrafinowane. Niezbędna jest zwłaszcza poprawa jakości i mocy wzmacniaczy głośnikowych w aparatach komórkowych. Niezbędne jest także zapewnienie wysokiej jakości hi-fi audio dla odbioru słuchawkowego, zarówno muzyki jak i mowy z usługami dodatkowymi, na przykład karaoke. Trzeba jednakże przyznać, że małe rozmiary większości współczesnego sprzętu przenośnego nie predysponują ich do hi-fi wysokiej jakości.

Najnowsze konstrukcje głośników o podwyższonej mocy zapewniają znaczną poprawę jakości audio w aparatach głośnikowych. Ale wymagane dla nich stosunkowo wysokie napięcie zasilania napotyka na przeciwną tendencję do obniżania napięcia zasilania pozostałych obwodów urządzenia. Zatem projektanci, oprócz niskich napięć zasilania układów cyfrowych i analogowych, muszą zapewnić stabilne zasilanie stopni głośnikowych napięciem bliskim napięciu baterii.

W wyniku łączenia licznych funkcji użytkowych urządzeń z zaawansowanymi funkcjami muzycznymi powstaje wiele strumieni audio o różnych formatach, zarówno cyfrowych jak i analogowych. Sygnały cyfrowe pojawiają się ponadto z rozmaitymi częstotliwościami próbkowania i długościami słów. Umożliwianie współistnienia tak różnych sygnałów bez wzajemnych zakłóceń jest zadaniem niełatwym. A do tych wymagań trzeba jeszcze dołączyć zdolność ekstensywnego i elastycznego ich miksowania w zaawansowanych służących rozrywce funkcjach, jak na przykład podkład muzyczny w czasie rozmowy.

Projektowanie urządzeń multimedialnych wymaga także elastycznego próbkowania cyfrowego audio i znacznie skuteczniejszego przetwarzania, zapewniających wysokiej jakości rejestrację i odtwarzanie audio hi-fi. Wyrafinowane przetwarzanie audio, jak np. korekcja wielokanałowa, czy przetwarzanie dźwięku przestrzennego, stanie się potrzebne do optymalizowania sygnałów odtwarzanych przez głośnik lub słuchawki. Przygotowując filtry dopasowujące dźwięk do charakterystyki ucha ludzkiego przy słuchaniu przez słuchawki czy głośnik, projektant może na przykład częściowo kompensować ubytki pasma audio, spowodowane małymi wymiarami obudowy aparatu i ograniczeniami charakterystyki głośnika. Wyrafinowany korektor również umożliwia wprowadzenie szeregu dodatkowych efektów audio, na przykład optymalizowanie i dobór ustaleń, zapewniających bardziej autentyczne brzmienie niektórych rodzajów muzyki. Ustalenia te mogą być przywoływane różnymi sposobami, jak dobierane przez użytkownika preferencje, ręczne przełączniki, czy automatycznie za pośrednictwem oprogramowania aparatu komórkowego.

Zarządzanie zasilaniem

Użytkownik oczywiście nie zgodzi się na zwiększenie możliwości urządzenia kosztem skrócenia czasu pracy i czasu gotowości bez uzupełniania ładunku jego akumulatora. Stopnie w.cz. telefonu nadal będą odpowiedzialne za większą część zużywanej przez niego energii. Jego wyrafinowane obwody audio dadzą się zrealizować z niewielkim tylko zwiększeniem zużycia energii, zwłaszcza przy zastosowaniu dobrze przemyślanego sposobu zarządzania zasilaniem.

Staranne zaprojektowanie funkcjonalnie poprowadzonych ścieżek sygnałowych pozwala ściśle kontrolować poszczególne części układu wyłączając je, gdy aktualnie nie są potrzebne. W niektórych miejscach potrzebne działanie tylko monofonicznego audio, dlatego używa się tylko jednego przetwornika A/C, oszczędzając energię, która byłaby pobierana przez dwa przetworniki C/A. Także obniżenie częstotliwości próbkowania mowy pozwala zaoszczędzić energię bez zauważalnego obniżenia jakości dźwięku. Bardziej wyrafinowana technika oszczędzania zasilania polega na obniżaniu poziomu polaryzacji wzmacniaczy analogowych w celu lepszego zrównoważenia mocy wyjściowej audio z poborem prądu zasilającego.

Zintegrowany koncentrator audio

Jak już wspomniano, projektanci urządzeń przenośnych muszą sprostać różnym wyzwaniom w postaci optymalnego wysterowania głośnika, uchronienia obwodów od zakłóceń i usprawnienia zarządzania zasilaniem, mieszcząc całość na małej powierzchni płytki drukowanej. W pojawiających się telefonach multimedialnych muszą zostać zmieszczone większe możliwości kodeka, potrzebne dla wielu nowych funkcji wysokiej jakości audio. Zastosowanie układów z miksowaniem sygnałów, tworzących koncentrator wszystkich torów audio, łączących w jednym chipie przetworniki A/C, sprawniejsze DSP, miksery audio, elastyczne wzmacniacze głośnikowe i sprawnie zarządzane zasilanie wyrafinowanymi funkcjami, umożliwia tworzenie rozwiązań „pod klucz”, skracających czas opracowania i zmniejszających ryzyko, powierzchnię chipu i koszty materiałowe. Ze względu na rosnącą liczbę sposobów stosowania takie scalone rozwiązania muszą być tworzone z aplikacyjnego punktu widzenia. W przyszłości powstanie możliwość podkładania audio w trakcie połączenia, umożliwiając rozmówcom słuchania muzyki w czasie rozmowy. Użytkownik będzie mógł także uruchamiać normalne funkcje telefoniczne w trakcie słuchania plików MP3 albo radia FM. Inne funkcje, potencjalnie atrakcyjne dla użytkowników telefonów muzycznych, to karaoke, z pełnymi możliwościami miksowania z podkładem muzycznym w słuchawkach, także z zapisem w formacie I2S, ułatwiającym dzielenie się plikami karaoke za pośrednictwem MMS lub e-mail.

Dla wspierania takich nowo pojawiających się trybów użytkowania układy kodeków będą wymagały cyfrowych i analogowych elastycznych interfejsów, umożliwiających miksowanie plików syntetycznych, jak sygnałów dzwonienia czy plików MIDI z audio lub mową. Wszystkie te strumienie danych charakteryzują się różnymi szybkościami próbkowania, co jeszcze zwiększa złożoność systemu.

Scalanie oszczędza zasilanie

Skupianie licznych ścieżek sygnałów, niezbędnych do wspierania funkcji multimedialnych, w jednym chipie z koncentratorem audio ułatwia zarządzanie zasilaniem (rys. 1). Na przykład kodek audio scalony z DSP umożliwia odtwarzanie w aparacie muzyki MP3 lub filmu MPEG4 za pomocą włączonego jedynie kodeka audio i głównego procesora multimedialnego. Oprócz tego automatyczne obniżanie poziomu sygnałów, jak na przykład cyfrowego skoku napięcia w torze sygnału dzwonienia lub analogowej polaryzacji dla rozmowy we wzmacniaczu, jest innym przykładem oszczędzania energii bez utraty jakości dzwonienia czy mowy. Potrzebny jest także wygodny sposób przywoływania tych trybów, na przykład przez zwykłe operacje rejestrowe. Dzięki temu tryby te mogą być uruchamiane w sposób oczywisty dla użytkownika.

Optymalizacja jakości

Koncepcja multimedialnego koncentratora audio otwiera drogę dla przeniesienia dobrze opracowanego audio IP z dziedziny hi-fi do dziedziny telefonów komórkowych. Na przykład mogą tu zostać wykorzystane, i to przy niewielkich kosztach, opracowane już funkcje wyrafinowanego dookólnego dźwięku przestrzennego i pięciokanałowej korekcji, stosowane w zestawach kina domowego, a także w systemach audio-wideo i hi-fi. Bardziej zaawansowanym przykładem może być mikrofon o bardzo niskiej polaryzacji, umożliwiający doskonałej jakości nagrania. Może to się okazać magnesem przyciągającym do telefonu komórkowego nowe grupy użytkowników. Korzystanie z wysokiej jakości audio IP ujawni w ten sposób niezwykłe i silnie różnicujące cechy telefonów z możliwością wprowadzania nowych modeli i tworzenia możliwości dodatkowych zysków w całym sektorze dostaw aparatów komórkowych.

Odporność na zakłócenia

W ciasnocie nowoczesnych urządzeń przenośnych wysokiej jakości analogowe obwody audio muszą być chronione przed zakłóceniami generowanymi w stabilizatorach impulsowych i w układach cyfrowych. Scalona konstrukcja z miksowaniem sygnałów nie tylko uwalnia projektantów od tych problemów, ale ułatwia im tworzenie skuteczniejszych rozwiązań. Na przykład wpływ zakłóceń impulsowych można zmniejszyć już w trakcie projektowania, przesuwając częstotliwość przełączania stabilizatorów do zakresu, w którym podatność na zakłócenia układów z miksowanym sygnałem jest mniejsza. Ścisłe scalenie zarządzania zasilaniem z funkcjami audio także przyśpiesza, a nawet może uprzedzać reakcję zasilacza, na nagły wzrost zapotrzebowania systemu na prąd. Takie skoki prądowe często bywają wywoływane przez impulsy dźwiękowe w sygnałach audio, zwłaszcza podczas ich odtwarzania przez głośnik. Skrócenie czasu reakcji zasilania zmniejsza potrzebną wielkość magazynowanego ładunku w dużych i drogich kondensatorach. Dzięki temu można stosować kondensatory mniejsze, lżejsze i tańsze.

(KKP)