Applicazioni audio high-quality con PIC32

Nel progettare docking station e accessori audio per dispositivi digitali portatili, i progettisti sono vincolati dal costo nel tentativo di fornire una riproduzione audio di altissima qualità. Una delle sfide progettuali è quella di eseguire il cambiamento della frequenza di campionamento senza degradare la qualità audio, cercando a sua volta di contenere i costi. I Microcontrollori PIC32 dispongono di soluzioni per ottenere un audio di alta qualità, mantenendo nello stesso tempo un basso costo di progettazione. In questo articolo, analizzeremo alcune specifiche disponibili nei MCU PIC32, con particolare attenzione ai moduli  maggiormente utilizzati.

1. Introduzione

In una docking station una sorgente audio digitale invia un flusso di dati tramite un’interfaccia USB. Il dock cattura il flusso di dati durante l'esecuzione di altri compiti importanti e lo indirizza ad un audio codec o convertitore digitale - analogico (DAC) con una frequenza di campionamento specifica, come mostrato in Figura 1.

figura1

Figura 1: Tipica applicazione audio

Il flusso audio stereo catturato scorre, quindi, attraverso un'interfaccia seriale al codec o DAC. Poiché ci sono molte possibili fonti di audio digitalizzato, e non tutti usano la stessa frequenza di campionamento, l’interfaccia seriale adatta tipicamente la frequenza di campionamento o converte il flusso di dati campionati in un data rate comune. Pertanto, una delle sfide nella progettazione di sistemi docking è di eseguire il cambiamento della frequenza di campionamento senza degradare la qualità audio e ad un costo il più basso possibile. Per far fronte a queste sfide, i progettisti hanno in genere utilizzato un circuito di conversione apposito e / o un DAC audio high-end che comprende complessi Loops Phase-Locked (PLL) per garantire frequenze di campionamento flessibili per una comunicazione stabile del segnale audio campionato. L'interfaccia USB è una comoda interfaccia per il trasferimento di dati audio. Tuttavia, per soddisfare i requisiti di audio professionale, dovranno essere affrontati problemi di mismatching clock che determinano una perdita della qualità audio. In questo articolo, analizzeremo alcune specifiche audio disponibili nei MCU PIC32; in particolare, il modulo SPI e quello Reference Clock Output. Il modulo SPI supporta diversi modi di comunicazione audio standard e offre una risoluzione di bit elevata per applicazioni audio di alta qualità; il Reference Clock Output, invece, può essere utilizzato per fornire il clock master al front-end analogico per generare le diverse frequenze di campionamento.

2. Il digitale

La tecnica digitale consiste nel campionare l’audio analogico ad una frequenza di almeno due volte la componente di frequenza più alta del segnale ( frequenza di Nyquist). Pertanto, un segnale audio che si estende da 0 a 20 kHz può essere campionato ad una velocità di trasferimento dati di 44,1 kHz, che in questo caso è il tasso di Nyquist affinchè il segnale può essere ricostruito senza aliasing quando è riconvertito nel dominio analogico. Oltre alla frequenza di campionamento, la risoluzione dati può essere a 16-bit o 24-bit. Per compact disc (CD) di qualità, lo standard di risoluzione è a 16 bit con una frequenza di campionamento di 44,1 kHz. Tuttavia, ci sono opzioni che determinano prestazioni più elevate. Uno degli standard di codifica dati con risoluzione a 24 bit aumenta la frequenza di campionamento a 96 kHz. Per l'audio professionale, i file sono codificati con una risoluzione a 24 bit per campione. La capacità di offrire audio di alta qualità, rende l’interfaccia USB una soluzione facile ed economica per gestire lo streaming dati audio ad alta risoluzione e ad alta frequenza di campionamento. Le differenze nei tassi di campionamento e risoluzione in bit richiedono un hardware per il sistema di riproduzione, o dock, in grado di gestire le diverse velocità del flusso dati. Per fare questo il sistema deve usare DAC più complessi e costosi, o utilizzare un convertitore di frequenza di campionamento esterno (IC), oppure convertire tutti i campioni in una frequenza di campionamento e bit rate standard, utilizzando un algoritmo in esecuzione su un microcontroller con un semplice DAC a basso costo in grado di gestire le funzionalità.

3. PIC32

La maggior parte dei codec offrono una comunicazione seriale su un'interfaccia a 4 linee. La trasmissione e la ricezione dei campioni audio stereo tra MCU e codec avvengono tramite questa interfaccia le cui caratteristiche possono essere [...]

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5 Commenti

  1. dgiglio 27 settembre 2015
  2. Emanuele Bonanni Emanuele 27 settembre 2015

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