Многие дизайнеры включают аудиокодеки во встраиваемые системы на базе микроконтроллеров, чтобы добавить высококачественный звук. При этом они должны выяснить, как настроить аудиокодек для своего приложения. Без настройки приложение может остаться плоским или некачественным даже с хорошим кодеком и динамиком. Проблема в том, что каждый динамик имеет свою частотную характеристику, поэтому кодек следует настраивать в соответствии с характеристиками динамика, учитывая при этом тип звука, который будет воспроизводиться, и требуемый отклик.
Решение для настройки системы воспроизведения звука состоит не в использовании аппаратной фильтрации, а в использовании собственных блоков цифровой фильтрации аудиокодека. В каждом кодеке есть этот блок, позволяющий разработчику фильтровать вывод с помощью высокочастотных, низкочастотных и полосовых фильтров. Это позволяет точно настроить и даже при необходимости отрегулировать отклик динамика.
В этой статье будут обсуждаться внутренние блоки цифрового звука, которые включены в кодеки, с использованием кодека от AKM. Полупроводниковое В качестве примера. Также будет обсуждено несколько советов и приемов по настройке кодека, которые помогут разработчикам ускорить разработку воспроизведения звука при одновременном улучшении качества звука системы.
Понимание частотных характеристик динамика
В статье «Как выбрать и использовать аудиокодек и микроконтроллер для файлов обратной связи со встроенным звуком» обсуждались основы выбора и добавления кодека в систему. Следующим шагом будет использование этого кодека для получения наилучшего аудиовыхода.
Есть несколько различных факторов, которые влияют на то, как будет звучать звук, исходящий из системы. Эти факторы включают:
- Корпус динамика
- Как крепится динамик
- Воспроизводимые звуковые частоты
- Амплитудно-частотная характеристика динамика
После тщательного рассмотрения этих факторов разработчик вскоре поймет, что настройка аудиосистемы полезна только тогда, когда она находится в конечном производственном состоянии. Конечно, систему можно настроить с помощью печатной платы (печатной платы) и динамика вне корпуса, но не следует ожидать, что те же параметры настройки будут применяться, когда динамик установлен и находится внутри корпуса.
Если команда механиков правильно спроектировала корпус и крепление системы, основная характеристика, за которой разработчик должен внимательно следить, - это частотная характеристика динамика. Каждый динамик имеет разные характеристики и кривые отклика. Даже динамики с одним и тем же номером детали часто будут иметь небольшие отклонения в частотной характеристике, но производитель обычно предоставляет типичную кривую частотной характеристики. Например, на рисунке 1 показана кривая частотной характеристики для динамика GC0401K CUI Devices 8 Ом (Ом), 1 Вт. GC0401K рассчитан на работу с частотами от 390 Гц (Гц) до 20 килогерц (кГц).
Рисунок 1: Динамик GC0401K 8 Ом, 1 Вт от CUI Devices рассчитан на работу с частотами от 390 Гц до 20 кГц. (Источник изображения: устройства CUI)
Выступающие обычно оцениваются по той области кривой отклика, где отклик относительно ровный. При внимательном рассмотрении рисунка 1 видно, что частотная характеристика GC0401K начинает сглаживаться на ~ 350 Гц и остается относительно постоянной, по крайней мере, до 9 кГц. Высокие частоты имеют некоторый спад, но все еще стабильны до 20 кГц.
Другой частотный отклик динамика можно увидеть в GF0668 CUI Devices (рисунок 2). Этот динамик немного больше и может выдавать 3 Вт. Диапазон частотной характеристики составляет от 240 Гц до 20 кГц. Этот динамик может воспроизводить несколько более низкие частоты, чем GC0401K, но еще раз обратите внимание, что в указанном диапазоне кривая относительно плоская с некоторыми впадинами и пиками на всем протяжении.
Рисунок 2: Частотная характеристика динамика GF0668 8 Ом, 3 Вт от CUI Devices показывает, почему он рассчитан на диапазон от 240 Гц до 30 кГц. (Источник изображения: устройства CUI)
Последний отзыв оратора, на который стоит обратить внимание, - это SP-2804Y компании Soberton Inc. (рис. 3). SP-2804Y - это динамик мощностью 500 милливатт (мВт) с диапазоном частотной характеристики от 600 Гц до 8 кГц. Законы физики гарантируют, что чем меньше размер динамика, тем труднее он реагирует на более низкие частоты. Это означает, что если разработчики не отфильтровывают более низкие частоты и вместо этого пытаются управлять динамиком на этих частотах, результатом может быть какой-то коряво звучащий звук или дефекты тонов, которые в противном случае звучали бы кристально чистыми.
Обратите внимание, что в частотной характеристике около 10 кГц также наблюдается значительный провал. Таким образом, динамик рассчитан только на 8 кГц, хотя его, вероятно, можно было бы использовать до 20 кГц для некоторых приложений.
Рисунок 3: Частотная характеристика динамика Soberton Inc. SP-2804Y 8 Ом, 0.5 Вт показывает, что он подходит для частот от 600 Гц до 8 кГц. Он имеет провал после 10 кГц, но в некоторых приложениях его можно использовать до 20 кГц. (Источник изображения: устройства CUI)
Глядя на частотную характеристику каждого динамика, становится ясно, что необходима какая-то фильтрация и настройка, поскольку есть некоторые частоты, на которых динамик не должен работать. Например, попытка передать басовый тон 4 Гц на этих динамиках может вызвать длительные вибрации, на которые вводятся более высокие частоты, что приводит к сильному искажению звука.
Рассечение блока цифрового аудиофильтра
Один из методов, который использовался в прошлом для отключения нежелательных частот, - это создание аппаратных фильтров, ведущих к динамику. Например, фильтр высоких частот с частотой 500 Гц может предотвратить попадание частот ниже 500 Гц в динамик. С другой стороны, фильтр нижних частот может использоваться для удаления любых звуковых тонов выше 15 кГц. Личный опыт показал, что иногда, если женский голос используется с небольшим динамиком, который эффективен на более высоких частотах, динамик может демонстрировать пронзительный звук. Тщательный выбор частот может устранить эти искажения и создать более чистый звук.
Хотя внешние аппаратные фильтры могут выполнять эту работу, они увеличивают стоимость и занимают дополнительное место. По этим причинам более практично и эффективно настраивать звук с помощью блока цифрового фильтра, встроенного в аудиокодек.
Например, структурная схема АКМ Полупроводниковое В 4637-битном аудиокодеке AK24 выделен блок цифровых фильтров (рис. 4).
Рисунок 4: AK4637 - это аудиокодек с выходом на монофонический динамик, который поддерживает воспроизведение и запись звука. Он также содержит внутренний аудиоблок, который можно использовать для фильтрации входящего и исходящего звука для повышения качества звука. (Источник изображения: AKM Semiconductor)
Блок цифрового фильтра в этом случае содержит несколько различных возможностей фильтрации, которые включают:
- Фильтр высоких частот (HPF2)
- Фильтр нижних частот (ФНЧ)
- Четырехполосный эквалайзер (4-полосный эквалайзер)
- Автоматический контроль нивелирования (ALC)
- Однополосный эквалайзер (1-полосный эквалайзер)
Необязательно включать все эти функции. Разработчики могут выбирать, какие функции им нужны, а также включать и отключать блокировку или маршрутизацию микрофона или воспроизведение звука через них. Настоящий вопрос на данном этапе - как рассчитать и запрограммировать аудиокодек?
Как рассчитать и запрограммировать параметры цифрового фильтра
В большинстве аудиоприложений фильтр высоких частот используется для удаления низких частот, а фильтр низких частот используется для исключения высоких частот. Эквалайзер может использоваться для сглаживания кривой частотной характеристики или для выделения определенных тонов. Как именно выбирать эти параметры, выходит за рамки данной статьи. Вместо этого будет рассмотрено, как рассчитать и запрограммировать значения, связанные с этими параметрами, на примере AKM AK4637.
Во-первых, всегда полезно просмотреть таблицу. Страницы 7 и 8 в этом случае показывают важнейшую карту регистров для кодека. Первый взгляд может показаться устрашающим, учитывая, что у детали 63 регистра. Однако многие из этих регистров управляют цифровым аудиоблоком. Например, регистры от 0x22 до 0x3F управляют эквалайзером. Регистры с 0x19 по 0x1C управляют фильтром высоких частот, а регистры 0x1D по 0x20 управляют фильтром низких частот.
Разработчики обычно не могут просто указать частоту ввода в кодек. Вместо этого существует уравнение фильтра, которое используется для вычисления коэффициентов фильтра, которые затем программируются в регистры кодека для создания фильтра на желаемой частоте. Например, чтобы использовать блок цифрового фильтра для создания фильтра высоких частот на 600 Гц, используйте уравнение 1:
Рисунок 5: Показаны уравнения, необходимые для расчета коэффициентов фильтра верхних частот для блока цифрового фильтра AK4637. (Источник изображения: AKM Semiconductor)
Разработчик должен определить желаемую частоту среза fc, которая в данном случае составляет 600 Гц. Частота дискретизации звука, fs, обычно составляет 48 кГц, но может варьироваться в зависимости от приложения. Эти значения затем будут помещены в уравнения для вычисления коэффициентов A и B. Эти значения затем записываются в регистры кодека через I2C во время запуска. Тот же процесс будет использоваться для фильтров нижних частот и других функций цифрового блока, хотя передаточные функции часто отличаются, требуя использования собственного набора уравнений (см. Таблицу).
Советы и рекомендации по настройке аудиокодека
Блоки цифровых фильтров, включенные в аудиокодек, часто бывают довольно гибкими и мощными. Даже недорогой аудиокодек предоставляет разработчикам инструменты, необходимые для создания высококачественного звука. В конце концов, аудиокодек - это всего лишь часть головоломки. Чтобы успешно настроить аудиокодек, разработчики должны иметь в виду несколько советов и приемов, таких как:
- Убедитесь, что динамик установлен в корпусе, соответствующем применению. Неправильно спроектированный динамик может легко испортить безупречную систему воспроизведения.
- Не настраивайте блоки звуковых фильтров кодека до тех пор, пока система не будет полностью собрана в своей производственной конфигурации. В противном случае параметры настройки могут измениться.
- Выберите частотный диапазон в зависимости от воспроизводимого звука. Например, настройки частоты для музыки, звучащей на гитаре, фортепиано или говорящем, будут разными.
- Используйте блок цифрового баланса для компенсации частотной характеристики динамика. Некоторые частоты, естественно, будут звучать громче и четче, и их, возможно, потребуется ослабить, в то время как другие, возможно, потребуется усилить.
- Используйте тестовые сигналы для оценки частотной характеристики системы. Простой поиск в Интернете предоставит mp3-файлы для широкого диапазона звуковых тонов, которые можно использовать для понимания частотной характеристики системы воспроизведения звука и того, как работает блок цифрового фильтра.
- Сохраните настройки конфигурации блока фильтров во флеш-памяти или EEPROM, чтобы их можно было настроить во время производства для учета межсистемных изменений (если это вызывает беспокойство).
Разработчики, которые следуют этим «советам и уловкам», обнаружат, что они сэкономят немало времени и нервов при попытке настроить свою систему воспроизведения звука и обеспечат ее выход на рынок с заданными звуковыми характеристиками.
Заключение
Добавление аудиокодека во встроенные системы не гарантирует, что он будет хорошо звучать для конечного пользователя. Каждую систему воспроизведения звука необходимо тщательно настраивать. Для достижения этой настройки можно использовать внешние фильтры, но аудиокодеки имеют встроенные возможности цифровой фильтрации и балансировки. Как показано, их можно использовать для подачи в динамик только тех частот, для которых он лучше всего подходит. С помощью тщательного анализа и применения настроек фильтров разработчики могут создавать чистый звук, который конечные пользователи ожидают от своих устройств.