Принципы работы и характеристики современных плат обработки звука

       2.2. Принцип работы АЦП

       Микросхемы АЦП выполняют функцию, прямо противоположную функции ЦАП, — преобразуют входной аналоговый сигнал в последовательность цифровых кодов. В общем случае микросхему АЦП можно представить в виде блока, имеющего один аналоговый вход, один или два входа для подачи опорного (образцового) напряжения, а также цифровые выходы для выдачи кода, соответствующего текущему значению аналогового сигнала.

       Часто микросхема АЦП имеет также вход для подачи тактового сигнала CLK, сигнал разрешения работы CS и сигнал, говорящий о готовности выходного цифрового кода RDY. На микросхему подается одно или два питающих напряжения и общий провод. В целом микросхемы АЦП сложнее, чем микросхемы ЦАП, их разнообразие заметно больше, и поэтому сформулировать для них общие принципы применения сложнее.

       Управляется работа АЦП тактовым сигналом CLK, который задает частоту преобразования, то есть частоту выдачи выходных кодов. Предельная тактовая частота — второй важнейший параметр АЦП. В некоторых микросхемах имеется встроенный генератор тактовых сигналов, поэтому к их выводам подключается кварцевый генератор или конденсатор, задающий частоту преобразования. Сигнал CS разрешает работу микросхемы.

       В качестве базового элемента любого АЦП используется компаратор напряжения, который сравнивает два входных аналоговых напряжения и, в зависимости от результата сравнения, выдает выходной цифровой сигнал — нуль или единицу. Компаратор работает с большим диапазоном входных напряжений и имеет высокое быстродействие (задержка порядка единиц наносекунд).

       Рис. 4. АЦП последовательного типа.

       Существует  два основных принципа построения АЦП: последовательный и параллельный.

       В последовательном АЦП входное напряжение последовательно сравнивается одним единственным компаратором с несколькими эталонными уровнями напряжения, и в зависимости от результатов этого сравнения формируется выходной код. Наибольшее распространение получили АЦП на основе так называемого регистра последовательных приближений (рис. 4.).

       Входное напряжение подается на вход компаратора, на другой вход которого подается эталонное  напряжение, ступенчато изменяющееся во времени. Выходной сигнал компаратора  подается на вход регистра последовательных приближений, тактируемого внешним  тактовым сигналом. Выходной код регистра последовательных приближений поступает  на ЦАП, которое из опорного напряжения формирует меняющееся эталонное напряжение.

       Регистр последовательных приближений работает так, что в зависимости от результата предыдущего сравнения выбирается следующий уровень эталонного напряжения по следующему алгоритму:

1. В первом такте входной сигнал сравнивается с половиной опорного напряжения.
2. Если входной сигнал меньше половины опорного напряжения, то на следующем такте он сравнивается с четвертью опорного напряжения (то есть половина опорного напряжения уменьшается на четверть). Одновременно в регистр последовательных приближений записывается старший разряд выходного кода, равный нулю.
3. Если же входной сигнал больше половины опорного напряжения, то на втором такте он сравнивается с 3/4 опорного напряжения (то есть половина увеличивается на четверть). Одновременно в регистр последовательных приближений записывается старший разряд выходного кода, равный единице.
4. Затем эта последовательность сравнений повторяется нужное число раз с уменьшением на каждом такте вдвое ступени изменения эталонного напряжения (на третьем такте — 1/8 опорного напряжения, на четвертом — 1/16 и т.д.). В результате опорное напряжение в каждом такте приближается к входному напряжению. Всего преобразование занимает n тактов. В последнем такте вычисляется младший разряд.

       Понятно, что процесс этот довольно медленный, требует нескольких тактов, причем в течение каждого такта должны успеть сработать компаратор, регистр последовательных приближений и ЦАП с выходом по напряжению. Поэтому последовательные АЦП довольно медленные, имеют сравнительно большое время преобразования и малую частоту преобразования.

       Второй тип АЦП — АЦП параллельного типа — работает по более простому принципу. Все разряды выходного кода вычисляются в них одновременно (параллельно), поэтому они гораздо быстрее, чем последовательные АЦП. Правда, они требуют применения большого количества компараторов (2n–1), что вызывает чисто технологические трудности при большом количестве разрядов, например, при 12-разрядном АЦП требуется 4095 компараторов.

       По этим причинам в современных звуковых картах применяются АЦП последовательного типа, недостатки которых устранены с помощью рассмотренной ранее Сигма-Дельта модуляции и архитектуры advanced multi-bit.

2.3. Принцип работы микшера

       Можно различить два основных вида микшеров: аналоговые и цифровые. Выделяют также комбинированные, то есть аналого-цифровые, они работают по принципу цифровых но имеют встроенные аналого-цифровые преобразователи.

       Входной микшер нужен для того, чтобы установить оптимальный уровень входного сигнала платы. Электрический сигнал, получившийся в результате преобразования, поступает на выходной микшер. Этот микшер практически идентичен входному и управляется при помощи той же самой программы микширования, что и входной.

       Для понимания основных принципов работы микшера я рассмотрю простейший резисторный двух канальный микшер, схема которого представлена ниже (рис. 5).

       Рис. 5. Схема резисторного двухканального микшера.

       На входные разъемы Х1 и X2 подают сигнал с внешних устройств. С подвижной части переменных резисторов R1, R2 оба входных сигнала смешиваются через резисторы R3, R4 и поступают на делитель R5R6. Результирующий выходной сигнал нужной амплитуды снимают с подвижной части резистора R5 и подают через разъем Х3 на выход. Уровень каждого из смешиваемых сигналов устанавливают либо резистором R1, либо R2. Также практический каждый применимый на практике микшер способен усиливать сигнал за счет наличия в схеме операционных усилителей и дополнительного питания.

       Плата Sound Blaster X-Fi, о которой говорилось выше, оснащена микросхемой Wolfson WM8775, являющейся одновременно микшером и аналого-цифровым преобразователем. А также задачи выходного микшера выполняет микросхема Cirrus Logic CS4382, являющееся в то же время цифро-аналоговым преобразователем. Так как CS4382 была рассмотрена выше в разделе про ЦАП, я остановлюсь подробнее на Wolfson WM8775.

       WM8775 - высокопроизводительный, стерео аудио 24-битный сигма-дельта АЦП с 4 канальным входным микшером. Эта микросхема предназначена для оцифровывания и умножения аналоговых сигналов источников для приложений с использованием объемного звука. Каждый канал имеет программируемый контроль усиления. Поддерживает длину слов цифрового аудио выхода от 16-ти до 32-х бит и частотой дискретизации от 32-х до 96-ти кГц. Устройство управляется двух или трех проводным последовательным интерфейсом. Он предоставляет доступ ко всем возможностям микросхемы, включая выборку каналов, контроль громкости, приглушение,  коррекцию предыскажений и средства управления питанием.

2.4 Принцип работы  сигнального процессора

       Цифровой сигнальный процессор (англ. Digital signal processor) — специализированный микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов. В отличие от других микропроцессоров они имеют Гарвардскую архитектуру, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных, поэтому в большинстве сигнальных процессоров встроено две оперативной памяти: память команд и память данных. Также они обладают встроенными ПЗУ для хранения подпрограмм и таблиц.

       Самая важная характеристика сигнального  процессора это скорость выполнения команд. Поэтому ещё одним существенным отличием от других микропроцессоров является архитектура VLIW (very long instruction word), что переводиться как «очень длинными машинными командами». В такой команде объединено несколько обычных команд, которые выполняются одновременно (параллельно) разными функциональными блоками процессора для повышения его быстродействия.

       ASP (Advanced Signal Processor - пpодвинутый (усиленный) сигнальный пpоцессоp) и CSP (Creative Signal Processor - сигнальный пpоцессоp Creative) - названия одного и того же специализированного DSP фиpмы Creative Labs (микpосхема CT1748), используемого в некотоpых каpтах типа Sound Blaster. Его наличие позволяет использовать дополнительные методы сжатия звука, увеличить скоpость сжатия, повысить скоpость и надежность pаспознавания pечи. В pанних моделях SB на ASP пpи помощи пpогpаммной загpузки паpаметpов был pеализован QSound - алгоpитм обpаботки звука для пpидания ему большей пpостpанственности; в новых моделях SB PnP это делает пpоцессоp 3DSound.

       Стоит подробней остановиться на сигнальном процессоре звуковой платы Creative SoundBlaster X-Fi. Данная звуковая плата обладает архитектурой, полностью отличающейся от строения предыдущих поколений процессоров Creative, также как всех прочих процессоров, включая графические, на момент её выпуска. Концепция представляет собой программируемую архитектуру на основе кольца.

       2.5 Архитектура  «Audio Ring» и сигнальный процессор DSP “Quartet”

       В отличие от предыдущих звуковых плат, где все блоки расположены последовательно, архитектура «Audio Ring» (рис. 5), как следует из названия, имеет вид кольца и физически представляет собой конвейерную шину с мультиплексированием с разделением времени и поддержкой до 4096 аудиоканалов. Каждый процессорный модуль может независимо от других работать с тем или иным блоком данных на шине – извлекать его, обрабатывать и вновь размещать в «кольце».

       Вся вычислительная мощность X-Fi разделена между пятью основными блоками: SRC (преобразование частоты сэмплирования), Filter (наложение фильтров), Mixer (аппаратный микшер), Tank ("Бак") и DSP (сигнальный процессор).

       Теперь остановимся подробнее на назначении каждого из блоков. Блок Mixer отвечает за перенаправление сигналов по имеющимся 4096 каналам внутри процессора, помимо этого блок занимается суммированием и масштабированием сигналов. По существу это микшер, рассмотренный выше.

       Рис. 5. Схема архитектуры «Audio Ring».

       Вся вычислительная мощность X-Fi разделена между пятью основными блоками: SRC (преобразование частоты сэмплирования), Filter (наложение фильтров), Mixer (аппаратный микшер), Tank ("Бак") и DSP (сигнальный процессор).

       Теперь остановимся подробнее на назначении каждого из блоков. Блок Mixer отвечает за перенаправление сигналов по имеющимся 4096 каналам внутри процессора, помимо этого блок занимается суммированием и масштабированием сигналов. По существу это микшер, рассмотренный выше.

       Следующий блок Filter, используется для наложения всевозможных стандартных цифровых фильтров (обработка пространственного звучания и т.п.). 

       Блок Tank предназначен для создания различных эффектов, основанных на изменении сигнала во времени (реверберация, отражения и т.п.).

       Блок SRC  (Sample Rate Conversation), что переводиться как преобразователь частоты сэмплирования, данному блоку отведено около 70% вычислительной мощности аудио карты. Он используется в тех случаях, когда частота семпла не совпадает с опорной частотой текущего режима (иначе семпл проиграется с неправильной скоростью и изменит тон). Преобразователи SRC работают также в режиме DMA, позволяя производить преобразования прямо в ОЗУ компьютера без участия ЦПУ. Для исключения коллизий при загруженной шине PCI имеется настраиваемый кэш. Самый частый пример использования SRC - конвертация 44.1 кГц в 48 кГц.

       Модуль DSP в X-Fi, имеющий производительность 1200 MFLOPS, получил собственное имя Quartet, довольно точно отражающее его структуру, так как имеет 4 работающих параллельно подпроцессора. Архитектура поддерживает четыре аппаратных потока и выполнение SIMD-инструкций (одиночный поток команд, множественный поток данных), позволяющих параллельно обрабатывать два тракта данных , благодаря чему X-Fi эффективно выполняет вычисления над стерео данными и комплексными числами. Такую организацию решено было назвать TIMD (Thread Interleaved and Multiple Data-path).