Le nuove frontiere dell’audio digitale

Un accordo di cooperazione tra Atmel e la società danese Bang & Olufsen ICEpower, specializzata nella realizzazione di amplificatori in classe D, ha portato all’ingegnerizzazione di un progetto di riferimento destinato ai progettisti impegnati nell’assemblaggio del puzzle dell’audio digitale.

L'introduzione, avvenuta 130 anni fa, del fonografo di Edison che utilizzava cilindri incisi, ha segnato l’inizio dell’era della distribuzione dell’intrattenimento su un mezzo fisico. Inutile a dirsi, quest’epoca sta iniziando a concludersi nel momento in cui la distribuzione e la riproduzione di brani musicale attraverso dispositivi portatili e connessi in rete stanno divenendo sempre più convenienti sia per i consumatori sia per i fornitori di contenuti: tutto ciò, inevitabilmente, comporta maggiori oneri per i progettisti di dispositivi audio consumer. Trovandosi ad affrontare livelli di complessità decisamente maggiori, i progettisti devono tornare a concentrarsi sulle loro competenze specifiche e sul la ricerca degli elementi di differenzia zione dei prodotti. Il disco Blu-ray segna probabilmente la fine dell’era del trasporto “fisico” dei contenuti multimediali sui mezzi di locomozione (barca, aeroplano o autoveicolo).

La distribuzione dei contenuti multimediali, come quello dei dati di qualsiasi tipo, si sta rapidamente trasferendo verso l’infrastruttura di rete globale. L’audio digitale, grazie al fatto che richiede un’ampiezza di banda minore, si trova in una posizione di vantaggio. In base ai risultati resi noti dalla Consumer Electronics Association of America (CEA Final Detailed Forecast – Luglio 2010) negli Stati Uniti il volume di vendita di lettori CD “statici” si ridurrà del 60% entro il 2014 (per un totale di 65.000 unità) a fronte di vendite di dispositivi capaci di riprodurre musica mediante un lettore multimediale portatile stimate in 330 milioni di unità. Poiché la maggior parte dei contenuti audio viene distribuito al consumatore finale attraverso Internet, la musica viene erogata in modalità streaming agli abbonati dei servizi ondemand come, ad esempio, Pandora negli Stati Uniti o Spotify in Europa. In alternativa, viene acquistata dai negozi “on line” come, ad esempio, iTunes e memorizzata, in forma compressa, su un computer o un lettore portatile abilitato alla connessione in rete. Questa radicale modifica del modello di utilizzo, pone alcune problematiche ai progettisti delle apparecchiature audio della prossima generazione. I dispositivi audio, ovviamente, devono essere in grado di amplificare ed elaborare il segnale per consentire la riproduzione audio, ma devono anche essere connessi alla sorgente attraverso connessioni wireless o cablate e spesso capaci di decomprime “al volo” il contenuto. Poiché la sorgente del segnale è esterna al sistema, i progettisti devono integrare funzioni di connettività, altoparlanti e amplificatori nello stesso “contenitore”. In questo nuovo modello, il percorso del segnale dalla sorgente alla riproduzione del segnale stesso prevede le seguenti fasi:

  • Connettività (Ethernet, host e/o di spositivo USB, SDIO, Wi-Fi, Bluetooth) Decompressione (come, ad esempio, MP3, AAC, WMA).
  • Elaborazione digitale del segnale (equalizzazione, controllo del volume, correzione ambientale e così via).
  • Conversione digitale/analogica
  • Amplificazione
  • Riproduzione acustica.
  • Negli ultimi anni nel settore dell’elettronica sono apparse numerose società in grado di fornire soluzioni di connettività ad alte prestazioni che siano nel contempo economiche. Così come esiste un gran numero di aziende che propongono soluzioni per l’elaborazione del segnale e la conversione D/A. Fin dall’introduzione del CD (negli anni ’80), la conversione D/A è divenuta una conoscenza condivisa tra tutti i produttori di apparati audio, mentre società produttrici di amplificatori e altoparlanti (necessari per la riproduzione acustica) sono sempre esistite. A questo punto sembra che più si scende nella catena del segnale, più la tecnologia è matura. Qua sta la radice del problema che sorge con il nuovo modello. Sono poche le aziende che possono vantare conoscenze approfondite nei settori del collegamento in rete di computer, elaborazione in banda base wireless, radiofrequenza, elaborazione embedded, elaborazione del segnale digitale, elaborazione del segnale analogico e filtraggio, progetto di amplificatori e alimentatori e acustica, tutte aree di competenza che in ultima analisi confluiranno all’interno di una singola applicazione audio. Un produttore di amplificatori per chitarre che decida di integrare una porta USB per consentire al suonatore di improvvisare con i suoi motivi preferiti in formato MP3 memorizzati su una chiavetta USB, scoprirà che un progetto di questo tipo è al di fuori delle proprie competenze. Lo stesso accadrà a un produttore di altoparlanti che voglia abbinare le proprie conoscenze in campo acustico con quelle richieste per la realizzazione di un amplificatore e una stazione docking per iPod. Indipendentemente dalla fase del percorso del segnale all’interno della quale le singole società hanno sviluppato competenze specifiche, il livello di complessità globale risulterà decisamente troppo elevato per cui esse troveranno conveniente il ricorso a piattaforme per applicazioni audio “chiavi in mano” di costo contenuto capaci di garantire:
  • Versatilità
  • Elevate prestazioni
  • Convenienza in fase di progettazione. Negli ultimi anni il settore audio ha fatto ricorso a una vasta gamma di microcontrollori, come, ad esempio, il micro a 32 bit AVR32UC3 di Atmel. Esso è stato ampiamente utilizzato in stazioni docking per smartphone e lettori MP3, per lo streaming sui dispositivi di comunicazione dotati di porta USB e in numerosissime altre applicazioni.

La ragione principale che ha spinto all’utilizzo di questo tipo di approccio appare il rapporto particolarmente favorevole, in termini di prezzo e prestazioni, di un’architettura basata su MCU, il supporto di periferiche quali dispositivi/host USB e I2S, nonché la disponibilità di una struttura software completa che comprende driver USB e stack di protocollo, API per lettori audio e algoritmi di decodifica come AAC, MP3 e WMA.

UN DESIGN DI RIFERIMENTO UNIVERSALE

Un accordo di cooperazione tra Atmel e la società danese Bang & Olufsen ICEpower, specializzata nella realizzazione di amplificatori in classe D, ha portato all’ingegnerizzazione di un progetto di riferimento destinato ai progettisti impegnati nell’assemblaggio del puzzle dell’audio digitale. L’abbinamento delle tecnologie sviluppate dalle due società ha permesso di realizzare una soluzione “chiavi in mano” da utilizzare come piattaforma applicativa per lo sviluppo di una vasta gamma di dispositivi molto differenti tra loro in termini sia di prezzo sia di prestazioni: dalle radiosveglie ai sistemi audio di fascia alta destinati a un pubblico di audiofili (figura 1).

Figura 1: progetto di riferimento realizzato congiuntamente da Atmel e Bang & Olufsen per lo sviluppo di un’ampia gamma di dispositivi audio.

Figura 1: progetto di riferimento realizzato congiuntamente da Atmel e Bang & Olufsen per lo sviluppo di un’ampia gamma di dispositivi audio.

Al fine di garantire la scalabilità necessaria per l’impiego in una pluralità di dispositivi, questo progetto di riferimento supporta praticamente qualsiasi sorgente di ingresso e ogni opzione di riproduzione. Il microcontrollore è dotato di interfacce SDIO e USB (host/device). Attraverso una porta SPI il front end del progetto può essere collegato a interfacce wireless quali Wi-Fi, Bluetooth o Ethernet. In altre parole, può accettare qualsiasi sorgente di segnale immaginabile e dà la possibilità di decodificare audio compresso in modalità MP3, AAC e WMA da riprodurre. Il sistema audio su chip (vedi anche la figura 2) singolo MS3 di Bang & Olufsen contiene un engine DSP a funzione fissa e un amplificatore in classe D capace di ero gare 2x1,5W di potenza in uscita, sufficiente per il pilotaggio diretto di amplificatori di piccole dimensioni come quelli che si trovano nei computer laptop, nei telefoni cellulari, nei sistemi di navigazione o perfino nelle stazioni docking per iPod compatte.

Figura 2: schema a blocchi del modulo di ICEPower.

Figura 2: schema a blocchi del modulo di ICEPower.

MS3 dispone anche di un amplificatore per auricolari e può anche essere utilizzato come convertitore D/A audio a elevate prestazioni che pilota un amplificatore di potenza in presenza di altoparlanti di grandi dimensioni. Il progetto prevede anche l’interfacciamento diretto con la serie ASX di stadi di potenza in classe D di Bang & Olufsen ICEPower capaci di fornire da 25 a 1.000W per canale. L’aspetto di maggior interesse per i clienti, è il fatto che questo design di riferimento può essere adattato con estrema semplicità per diventare il nucleo centrale di ogni sistema audio. I progettisti devono solamente identificare la sorgente del segnale e gli altoparlanti, effettuare la configurazione e la connessione, proseguire con l’aggiunta degli elementi di differenziazione e introdurre, in tempi brevi, i loro prodotti sul mercato. La crescente complessità non è la sola sfida imposta dal nuovo modello: a causa anche della continua contrazione dei cicli di sviluppo e della necessità di differenziare i prodotti il più possibile, queste piattaforme pronte all’uso si propongono come il mezzo più efficace per lo sviluppo dei sistemi audio digitali della prossima generazione.

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