Внутреннее устройство цифрового аудиоплеера

Евгений Рудометов

rudometov@rudometov.com

В последнее время широкое распространение получили компактные, мобильные, цифровые аудиоплееры. Основой данных устройств являются  современные полупроводниковые элементы, включая специализированные процессоры обработки аудиоконтента

Благодаря успехам полупроводниковых технологий постоянно появляются новые устройства. Многие широко известные электронные изделия стремительно «худеют», уменьшаясь в размерах. Чтобы в этом убедиться, достаточно вспомнить о компьютерах.

Некогда громадные и ненадежные вычислительные «монстры», занимавшие сотни квадратных метров и «пожиравшие» сотни киловатт электроэнергии, сегодня в своих обновленных вариантах сравнительно просто умещаются на рабочих столах. Более того, компактные карманные компьютеры, легко помещающиеся на ладони, по вычислительной мощности во много раз превосходят мощные вычислительные системы первого поколения. Ну а сравнивать первые компьютеры с ноутбуками, обладающими широким диапазоном функциональных возможностей, вообще некорректно.  

Рассматривая эволюцию полупроводниковых технологий, необходимо отметить, что процессы миниатюризации затронули не только большие и маленькие компьютеры. Данный процесс  охватил и бытовые электронные устройства, к числу которых относятся видео и аудиоаппаратура. Стационарные системы стали компактнее, а мобильные не только уменьшились в размерах, но и обрели новые функциональные возможности.

Место полностью или частично аналоговых мобильных приборов заняли миниатюрные цифровые устройства, способные автономно обрабатывать видео и аудиоконтент. И если портативные видеосистемы в какой-то степени являются экзотикой – их время, по сути, еще не наступило, то аудиоплееры уже прочно захватили потребительский рынок. Эти компактные, легкие цифровые аудиоустройства в настоящее время представлены в десятках, а может быть даже и в сотнях моделей. Их выпуск исчисляется уже в миллионах штук и продолжает быстро увеличиваться с приростом в десятки процентов в год. Высокий темп сохраняется уже в течение нескольких лет.

Следует отметить, что не в последнюю очередь стремительному росту популярности этих устройств способствовали выпуск новых электронных элементов, совершенствование архитектуры устройств, улучшение интерфейсов и алгоритмов кодирования, поддержанных системным и прикладным программным обеспечением. К слову сказать, несмотря на сопротивление фирм, занимающихся тиражированием и реализаций звуковых записей, разнообразные алгоритмы сжатия аудиоконтента нашли самое широкое распространение. Более того, MP3 и WMA стали, по сути, отраслевыми стандартами и нашли свое воплощение в многочисленных цифровых устройствах. Как признание этого факта, цифровые аудиоплееры получили наименование «MP3 плееры».

Это наименование стало общепризнанным, несмотря на то, что данные устройства, как правило, не только поддерживают несколько форматов, но и нередко обладают функциями записи от микрофона, то есть являются диктофонами. Кроме того, большинство из них обеспечивают запись и кодирование аудиоинформации через линейный аналоговый вход. В дополнение к этому многие из данных устройств снабжены встроенным FM радиоприемником. И, конечно, все плееры имеют цифровой вход, предназначенный для «закачки» аудиоконтента в цифровой форме с персонального компьютера или ноутбука. В последнее время для этой цели используют порты USB 2.0, обеспечивающие скорость передачи данных до 480 Мбит/с.

Все эти возможности поддерживаются соответствующей электронной начинкой цифровых плееров. Несмотря на обилие используемых активных и пассивных радиоэлементов, основой архитектуры является ограниченное количество микросхем. Среди них центральное место занимает аудиопроцессор, обеспечивающий обработку аудиопотока, включая сжатие и раскодирование данных, а также управление остальными компонентами плеера.

Упрощенная схема архитектуры типичного цифрового аудиоплеера приведена на Рис. 1.            

Рис. 1. Схема работы цифровых аудиоплееров

Необходимо отметить, что в состав всех плееров входит энергонезависимая память, служащая для работы и длительного, практически неограниченного, времени хранения аудиоинформации даже после электрического обесточивания электронной схемы плеера. Именно в этом и заключается энергонезависимость. В качестве такой памяти в настоящее время в архитектуре аудиоустройств используются накопители на жестких магнитных дисках и микросхемы флэш-памяти. Первые из них характеризуются высокой емкостью и низкой стоимостью хранения информации. Однако это достигается за счет повышенного расхода энергии по сравнению конкурирующих решений, а также большего объема и веса. Вторые же обеспечивают большую компактность систем при их сравнительно высокой энергоэкономичности.

Замена в портативных аудиосистемах аналоговых носителей информации, ранее представленных в основном магнитными лентами, внесла соответствующие коррективы в используемые компоненты и архитектуру. Несмотря на обилие схемотехнических решений, основные принципы остаются неизменными. И заключаются они, прежде всего, в преобразовании аналоговых сигналов, несущих информацию о звуке, в цифровой код.

Эту операцию осуществляет так называемый аналого-цифровой преобразователь — АЦП. Принцип его работы заключается в измерении уровней напряжения входного сигнала через равные промежутки времени со сравнительно большой частотой. Эта частота соответствует  минимум удвоенной частоте верхней составляющей частотного спектра аудиосигнала. Это означает, что, если верхняя частота плеера составляет 20 кГц, то частота, с которой осуществляется измерение, должна быть минимум 40 кГц.      

Измеренные значения АЦП преобразует в многоразрядный двоичный, цифровой код. От числа используемых разрядов зависит диапазон двоичного представления полезного сигнала — от самых малых до максимально возможных значений. Соответственно все измеренные уровни аудиосигнала соответствуют цифровым значениям, расположенным в диапазоне двоичных чисел от всех нулей до всех единиц. Остается отметить, что при 16 разрядах, составляющих 2 байта, как у традиционного аудио CD, возможный диапазон составляет более 90 дБ.

Высокий темп снятия отсчетов и выполнения преобразований гарантирует широкий частотный диапазон, а шестнадцатиразрядное кодирование — большой динамический диапазон. Однако все это порождает файлы значительного размера, требующих для своего хранения соответствующих объемов встроенной энергонезависимой памяти. Так, например, 60 минут качества CD — это примерно 600 Мбайт. Для экономии объема памяти используют кодирование с использованием различных алгоритмов сжатия. Широкое распространение получили алгоритмы MP3, а также WMA.

Обеспечивая приемлемое снижение качества аудиосигнала, указанные алгоритмы сжатия существенно уменьшают размеры файлов. Так, например, сжатие MP3 до значения потока данных в 128 Кбит/с (самый распространенный уровень сжатия для музыкальной информации) сокращает размер аудиофайла в 10 раз. А использование потока в 256 Кбит/с обеспечивает сокращение размера файла примерно в пять раз. При этом качества, обеспечиваемого 128 Кбит/с MP3, как считают, пожалуй, большинство пользователей, вполне достаточно при использовании миниатюрных головных телефонов.

Преобразование исходного цифрового сигнала, источником которого служит, например, аудио CD, осуществляется либо с помощью настольного персонального компьютера, либо ноутбука с последующим «закачиванием» преобразованного файла посредством ставших стандартными портов USB в цифровой аудиоплеер. Ну и, конечно, большинство современных моделей предоставляют возможность преобразования аналогового сигнала, поступающего с линейного входа или микрофона, средствами самого аудиоплеера. Для этого используется встроенный АЦП, а преобразование по алгоритмам MP3 осуществляется аудиопроцессором плеера.

Обработанный сигнал записывается в энергонезависимую память, откуда во время воспроизведения аудиоинформации он подвергается обратному преобразованию из сжатого состояния в обычный несжатый цифровой код. Эту операцию осуществляет также аудиопроцессор.

Ну а из несжатого цифрового кода обратно в аналоговый сигнал преобразование выполняет  соответствующий элемент — цифро-аналоговый преобразователь — ЦАП, встроенный также в электронную «начинку» аудиоплеера.

Дальнейшее усиление аналогового сигнала осуществлют специальные электронные схемы. Они  могут быть выполнены либо в интегральном виде на основе микросхем, либо с помощью дискретных элементов на основе транзисторов, обычно полевых.      

Что же касается типа встроенной энергонезависимой памяти, то с учетом быстрого роста емкости и снижения цены соответствующих микросхем так называемой твердотельной памяти быстро развивается направление цифровых аудиоплееров, созданных на основе флэш-памяти.

Действительно, например, число моделей, созданных на основе этого типа памяти, постоянно увеличивается. К слову сказать, об этом свидетельствуют многочисленные пресс-релизы компании Creative — одного из лидеров аудиорешений. В настоящее время на фирменном сайте  представлено 9 моделей. С учетом же пресс-релизов таких моделей значительно больше.  

В качестве примера компактных, малогабаритных цифровых аудиоплееров характеризующихся малым весом и большими функциональными возможностями, можно привести модель Creative Rhomba NX. 

Цифровой аудио плеер Creative Rhomba NX является компактным аудиоустройством, отличающимся  эргономичным дизайном. Он удобно помещается в руке и управляется с помощью миниатюрных  клавиш и встроенного графического дисплея. Снабжен функциями работы с FM радио. Обеспечивает воспроизведение и запись. Этот плеер обладает памятью 256 Мбайт и поддерживает интерфейс USB 2.0, что позволяет загружать музыкальные файлы с ПК со скоростью примерно песня в секунду. Он способен хранить в памяти до 60 песен в формате MP3 или 120 песен в формате WMA (при средней продолжительности песни 4 минуты - 64 Кбит/сек WMA, 128 Кбит/сек MP3). Плеер питается от двух стандартных батареек AAA, которых хватает на 14 часов непрерывного воспроизведения. Относительно большой ЖК экран с голубой подсветкой обеспечивает наглядный и быстрый доступ ко всем функциям. Плеер Creative Rhomba NX позволяет осуществлять запись с одновременным преобразованием в MP3 любого линейного входящего сигнала, а также с FM радио и микрофона.

Комплект поставки аудиоплеера CreativeRhomba NX

Фото 1. Комплект цифрового аудиоплеера Creative Rhomba NX

Основные параметры аудиоплеера Creative Rhomba NX

Фото 3. Внешний вид цифрового аудиоплеера CreativeRhomba NX

Минимальные системные требования

Основой аудиоплеера аудиоплеера Creative Rhomba NX является микросхема аудиопроцессора Philips SAA7750EL. Фрагмент печатной платы плеера с этим процессором приведен на Рис. 3. Здесь также представлен контроллер USB 2.0 фирмы Phison — PS2002, разъемы ЖК дисплея, линейного входа, головных телефонов, многофункциональные клавиши управления (в разобранном виде), переключатель блокировки (hold) клавиш управления, пружинные контакты батарей,  другие активные и пассивны электронные элементы.

Рис. 4. Фрагмент печатной платы аудиоплеера CreativeRhomba NX

В состав процессора Philips SAA7750EL входит ядро процессора обработки аудиоинформации (ядро DSP) и 32 бит ядро ARM RISC. Здесь необходимо отметить, что упомянутое ядро ARM RISC родственно, как и все варианты ARM RISC, процессорам известного семейства Intel XScale, которые широко используются в современных КПК и поддерживают систему команд фирмы ARM. Эта система фактически стала стандартом отрасли, обеспечивающим высокий уровень совместимости широкого спектра устройств, а также системного и прикладного ПО.

Наличие указанных особенностей свидетельствует об архитектурном совершенстве использованного в плеере процессора и его функциональных возможностях, включая вычислительную мощь. Остается добавить, что в состав процессора Philips SAA7750EL входят также упомянутые выше АЦП и ЦАП. Интегрирование этих компонентов в состав кристалла процессора позволяет сократить число микросхем.

Интерфейс USB 2.0 обеспечивает микросхема Phison PS2002. Вся необходимая информация отображается на встроенном в конструкцию плеера ЖК дисплее. Управление осуществляется с помощью сенсорных клавиш и переключателей. Тюнер FM радио реализован с помощью микросхемы Philips TEA5767, расположенной на специальной плате, рассчитанной на эту микросхему с окружающими элементами поддержки. Размеры этой платы незначительно превышает размеры самой микросхемы. Эта плата просто припаяна к основной печатной плате.

На Рис. 4 приведена упрощенная архитектура аудиоплеера Creative Rhomba NX. На ней представлены информационные потоки, демонстрирующие взаимодействие входящих в состав данного устройства компонентов. Здесь же можно увидеть основные элементы архитектуры аудиоплеера Creative Rhomba NX.

Рис. 4. Упрощенная архитектура аудиоплеера CreativeRhomba NX

Остается отметить, что приведенная архитектура, иллюстрирующая работу аудиоплеера Creative Rhomba NX, можно рассматривать в качестве типичного решения.

В заключение следует отметить, что и другие известные компании не собираются оставаться в стороне. Желая отвоевать свою долю рынка аудиоусройств, они выпускают большое количество моделей. В результате на данном сегменте рынка развернулась жесткая конкурентная борьба,  результатом которой являются быстрое совершенствование этого класса изделий при всеобщем  снижении их цены. Все это повышает популярность аудиоплееров и способствует увеличению числа пользователей.

Что же касается возможностей и архитектуры изделий других производителей, то это тема уже других статей.

Аудиоплеер CreativeRhomba NX предоставлен компанией EASTSIDE Consulting