罗技Squeezebox热潮音频电路设计

　　系统概述

　　概述系统

　　下图(图1)显示了在Squeezebox景气音频系统的简化框图 。本文的目的，我们将打破它，CPU部分和音频部分之间。CPU部分包含所有传统的深蓝学生的CPU，以太网，显示器，IO，和用户界面的组件，如。本文将不包括在任何深度在Squeezebox的CPU和IO，但将集中音频架构和处理 。

　　

　　图1：深蓝学??生臂框图。本文将讨论的音频设计，在I2S和I2C接口和CPU之间的音频部分开始，并贯彻到扬声器的信号路径，线和低音炮。

　　正如图1可见，音频部分包括主要的数字音频处理器芯片(TI TAS3204)，重低音扬声器/耳机DAC(欧胜WM8501)，功率放大器(TITPA3100D2及TPA3101D2)，和扬声器本身。

　　数字音频处理器

　　TI的TAS3204数字音频处理器是一个高性能的DSP，专为音频应用而优化，结合高性能(超过100分贝的信号信噪比)DAC和模拟到数字转换器 (ADC)内置了它还可以发送和接收多个频道的I2S谈中学的DAC或ADC 。DSP处理器本身是135兆赫，48位DSP，28位系数和一个76位累加器。

　　辅助DAC

　　辅助DAC，欧胜WM8501，用于驱动低音扬声器/耳机端口。它会从TAS3204数字信号，通过I2S接口 。DSP软件配置过程中的信号不同，具体取决于是否有一个低音炮或耳机插入 ??输出插孔。用户可以选择他们要使用的插件类型，从用户界面 。

　　功率放大器，

　　高性能D类放大器功率的低音喇叭和高音喇叭，可以很容易地提供充分的权力与最小失真的扬声器驱动器。我们选择了两个低音喇叭和高音喇叭高品质的D类放大器 。这可能是有点非典型高音喇叭使用D类放大器，但我们发现有D类和AB类放大器，我们测试的声音之间没有显著差异。

　　五金/机械设计

　　，我们设计了深蓝学生景气，我们的工业和机械设计师的紧密合作，简化了装配过程，并最大限度地降低风险，但维持一个有吸引力的包中的顶尖的音频性能。基本配置是后方的杯形的情况下，和前面板大会，扬声器导线通过一个单一的橡胶垫圈从内到外组成 一个密封外壳。

　　

　　图2：深蓝学生臂装配的爆炸示意图。

　　我们选择的驱动程序，扬声器驱动器，罗技的音频工程师开发的定制，以产生最佳的冠冕堂皇的产品，同时保持合理的成本。3“长冲程驱动程序织造布锥和橡胶环绕的低音喇叭，他们有一个平坦的频率响应，100赫兹和4 kHz之间。高音喇叭?英寸软球顶驱动器1200赫兹之间，有一个平坦的响应20千赫。是几乎没有信号损失，所有的方式，以20千赫 。低音扬声器，高音单元的交叉是在2 kHz 。

　　

　　图3：格栅和前面板删除。

　　

　　图4：主板拆除，露出主板和声学室的后部。

　　

　　图5：声学房屋拆卸。低音喇叭份额后方声学室。制作单位周围的电线，以防止嗡嗡的泡沫。

　　

　　图6：扬声器驱动器。每个通道都采用了低音和高音。

　　音频设计

　　深蓝学生的繁荣是一个双向放大的设计，采用数字交叉和独立的DAC，每个扬声器的第二个独立的重低音扬声器输出交叉。在软件中实现一个数字信号处理器(DSP)上的交叉和均衡。这是相同的技术，在高端的工作室监听音箱 。显然，在Squeezebox的繁荣不竞争中低音与高端的播音室监视器性能，但由于其先进的信号处理能力，结合质量非常高的车手，我们相信我们已经创造了一个冠冕堂皇的产品在同类 产品中最好的。

　　典型的桌面扬声器系统，将一个2.0，或偶尔的2.1系统。很少的桌面扬声器系统使用真正的高音喇叭，因此高端要么是不存在的，否则将“梁”与更多的能量来自系统的前面，比断轴。这是一个声音传播的根本属性 。最优质的声音，这是关键的扬声器尽可能为全方位， 1的结果是可以与其他的架构来实现更加统一和平衡的 声音比。

　　

　　图7：比较不同的桌面扬声器架构。

　　在上面的数字(图7)，第一个显示了典型的2.0桌面扬声器系统与单一驱动器，每个通道和两个功率放大器。这种设计一般会妥协的低和高频率的响应。

　　B节显示桌面2.1系统与立体声卫星音箱加一个低音炮。这种类型的系统将弥补低端和声音，但它会缺乏一个平坦的频率响应至20 kHz。

　　C节显示了设计的深蓝学生景气。所有四个独立的扬声器，四个独立的放大器，和六个DAC的数字控制提供高功率DSP声信号完整性最终并能产生巨大的声音贯穿整个音频频谱。如果没有一个低音炮，在Squeezebox的繁荣，在50赫兹，-3 dB响应在很低的音量设置到85赫兹(高音量设置)，一路到20 kHz。另外一个低音炮，整个音频频段，从20 Hz至20 kHz，覆盖。

　　在Squeezebox悬挂DSP

　　在Squeezebox景气使用一个48位× 24位，135 MIPS(每秒百万条指令)DSP核心。有了这样显著的DSP马力有很多方法来改善音质;良好的交叉仅仅是个开始。

　　有人可能会问，为什么我们需要一个48位数据通道，提供289 dB的动态范围，当16位和24位(96分贝至144 DB)是对于大多数的音响系统不够好。答案是，当执行数学运算上的一个信号(如DSP)的信号往往是成倍增加，分歧，并添加多次。一个16位的数据信号，任何16位的信号处理将不可避免地导致的信号保真度损失，或者造成溢出，饱和度，或额外的量化噪声。量化噪声，饱和和溢出的都是不可取的。

　　为了有效执行的DSP，DSP处理，必须有更显著的精度比正在操作的信号。当然，一个16位处理器可以执行32位，48位或更高的精度数学，但相应的CPU性能罚款。48 × 24位数据的热潮DSP处理器的路径，使我们设计的音频处理算法，并最小化到系统中多余的数字噪声“我们可以很容易地保持在数字域的动态范围大于100分贝，从而保证我们不降低超出DAC的本底噪声的原始信号。位深度大，我们选择的DSP使得DSP编程相对简单。

　　

　　图8：在Squeezebox景气的DSP流量块图(以供参考其他组件)。

　　音量控制

　　定期DAC的实施，通过简单地改变从一个样品到下一个信号的增益的数字音量控制。更好的DAC会检测到一个信号过零，并申请量的变化。在这两种情况下的体积变化是非常突然和声音检测的。

　　实现作为一个真正的数字斜坡音量控制音量控制在Squeezebox的繁荣，使量的变化，完全咔嗒免费。图9显示了信封(约40毫秒)，适用于量的变化从一个设置到另一个信号。

　　

　　图9：点击量也少，在深蓝学生景气的变化。这卷斜坡剖面显示音量轻轻的变化从一个卷。这显示了一个开关量从0到100%，但任何其他的体积变化如下类似的曲线。

　　定期DAC的实施，通过简单地改变从一个样品到下一个信号的增益的数字音量控制。更好的DAC会检测到一个信号过零，并申请量的变化。在这两种情况下的体积变化是非常突然和声音检测的。使用过零检测是比没有好很多，但它并不是完美的。

　　StereoXL技术

　　StereoXL是一个专有的立体声扩展技术，罗技的音频工程师开发的。它提供了一个显着增强的立体声声场的声级，超越扬声器本身的物理范围 扩大。

　　我一直担心它会破坏音频质量，以实现立体声强化效果警惕这种类型的处理。然而，一旦从罗技音频业务单元的工程师帮助落实在Squeezebox繁荣StereoXL，结果非常令人吃惊。音频质量不是减弱了，但声音似乎来自世界各地前来。

　　这就是说，它可以过头，质量取决于使用和使用的编码轨道。为了让不同用户的喜好，并跟踪编码有3 StereoXL设置。最好的一个，通常是在中间(中等)。

　　要产生这样一个小的外形出色的音频质量的交叉，我们需要优化的两个极端频率：低频和高频。这需要每个通道使用两个扬声器(低音和高音)。任何时候只要以上的扬声器，每通道，某种类型的交叉是需要引导的高频能量，具有更好的高频响应扬声器，低频扬声器的低频率 的能量。

　　有许多不同类型的交叉“路线”，与各的优点和缺点。对于在Squeezebox繁荣，我们选择了一个非常成功的交叉型，被称为四阶Linkwitz -莱利交叉。，这是因为它的高性能和良好的记录选择。的网络音乐播放器加上一个完全由软件控制音频架构的极大的灵活性，使我们能够继续改善随着时间的推移产品，使客户很容易从这些 更新。

　　在Squeezebox景气架构是在桌面系统中是独一无二的，我们已经评估了在其能力得到优化最多，超出其生产日期。我们愿意在元件成本花费更多的市场可能带来的绝对是最好的制度，并满足我们的时间，市场需求。我们可以使用模拟(被动或主动)交叉保存成本和消除了DSP处理一起，而是我们选择建立最好的系统，我们可以同时满足我们的工业设计和预算要求。

　　为了使在Squeezebox的轰声中度听力水平低的梦幻般的低音扩展的低音扩展，我们需要延长的低音响应。一个典型的低音控制是一个非常不同的概念，从真正的低音扩展。红线图10显示在Squeezebox繁荣的低音响应，没有任何的低音扩展 。

　　

　　图10：在繁荣中实现四阶低音/高音喇叭交叉。

　　从图中可以看到，-3 dB点约100赫兹。深蓝学生的热潮在一个非常小的外形，所以不会真正期望的截止频率低得多，但你肯定不希望它去降低。做一些巧妙的信号处理与信号处理，我们可以延长中度听力水平要低得多的低音响应 。

　　一个封闭的盒子(即，非移植)扬声器的低频滚降是一个二阶滚降12分贝/倍频程。(以在测得的低频响应，人们可以看到，事实上，100赫兹和50赫兹之间下降是在-12分贝左右的事实)。

　　通过数学建模的低频响应，我们可以创建一个逆滤波器补偿扬声器滚降，然后，我们就可以把在任何需要的频率一个新的低频滚降。当然，代价是低音响应延伸较低，有必要到扬声器驱动得多的功率，在低频率，冒着失真。量低，这可以非常有效地没有过多的失真。当然，成交量上升，在低频率的过剩推动导致功放或喇叭本身超越其线性区域，造成明显的失真，系统关闭，甚至物理损坏扬声器。

　　图11中的蓝线显示模型的低音响应。通过这个转换到数字域的代表性和有效的反相，我们得到的补偿滤波器，如图11所示，在绿色的整体反应显示为黄色(即完全平坦，下降到20赫兹)。

　　

　　图11：深蓝学??生臂与理论的低频补偿滤波器的频率响应。红色：测量响应;蓝色：理论模型;绿色：补偿滤波器;黄色：均衡系统的理论频率响应。

　　在一般情况下，它不会是明智的，没有任何其他的过滤实现图11中的绿色数字滤波器，因为它会很快过驱动的扬声器和功率放大器。这在20赫兹，32分贝提高，对应1000次以上在20赫兹的能量比在200赫兹。但最低的听力水平，这是不是合理。为了使听力水平低的情况更糟糕，需要额外的信号提升，在低频率，以弥补损失在低声压级水平低频率的敏感性。