כיצד להשתמש בקודק אודיו (Audio Codec) כדי למטב בקלות יותר ביצועי אודיו במערכות משובצות

מתכננים רבים כוללים קודק אודיו ‏בתכני מערכות משובצות מבוססות מיקרו-בקר שלהם במאמץ להשיג אודיו באיכות גבוהה (high-fidelity audio). בעשותם כן, הם חייבים למצוא פתרון לשאלה כיצד לכוונן את קודק האודיו עבור היישום שלהם. ללא כוונון, היישום עלול להישמע שטוח או באיכות גרועה, אפילו עם קודק ורמקול טוב. הבעיה היא שלכל רמקול יש היענות תדר משלו ולכן על הקודק להיות מותאם למאפייני הרמקול, תוך שימת לב לסוג האודיו שיושמע וההענות הנדרשת.

הפתרון לכוונון מערכת השמעת אודיו הוא לא להשתמש בסינון חומרה אלא במקום זה, למנף את הבלוקים של סינון דיגיטלי של קודק האודיו עצמו. לכל קודק יש בלוק כזה כדי לאפשר למפתח לסנן את היציאה תוך שימוש במסנני מעביר-גבוהים, מעביר-נמוכים ומעביר-פס-תדרים. זה מאפשר כוונון קפדני של הענות הרמקול ואפילו התאמה, לפי הצורך.

מאמר זה ידון בבלוקים הפנימיים של האודיו הדיגיטלי הכלולים בקודק, תוך שימוש בקודק מבית ‏AKM Semiconductor כדוגמה. המאמר גם ידון במספר טיפים וטריקים כיצד לכוונן את הקודק, שיעזרו למפתחים להאיץ את פיתוח מערכת השמעת האודיו שלהם תוך שיפור איכות הצליל.

הבנת מאפייני היענות תדר של רמקול

המאמר "כיצד לבחור ולהשתמש בקודק אודיו ומיקרו-בקר עבור קבצי משוב אודיו משובץ" דן ביסודות של בחירת והוספת קודק למערכת. הצעד הבא הוא להשתמש בקודק זה כדי לקבל את יציאת האודיו הטובה ביותר האפשרית.

ישנם מספר גורמים שונים התורמים לשאלה כיצד ישמע האודיו הבוקע ממערכת. גורמים אלה כוללים:

• המארז של הרמקול
• כיצד מורכב הרמקול
• תדרי האודיו שמתנגנים
• היענות התדר של הרמקול

לאחר שיקול זהיר של גורמים אלה, מפתח יגיע מהר למסקנה שכוונון מערכת אודיו הוא יעיל רק אם נעשה בשלב הייצור הסופי. כמובן, ניתן לכוונן מערכת עם לוח מעגל מודפס והרמקול מחוץ למארז, אך אין לצפות שאותם פרמטרים של כוונון יהיו ישימים כשהרמקול מורכב ובתוך המארז שלו.

אם הצוות המכני תכנן כראוי את מארז המערכת ואת ההרכבה, על המפתח להתבונן מקרוב על מאפיין הענות התדר של הרמקול. לכל רמקול יש מאפיינים שונים ועקומות היענות שונות. אפילו רמקולים עם מק"ט זהה יהיה להם לעתים קרובות הבדלים קטנים בהענות תדר, אך היצרן מספק בדרך כלל עקומת הענות תדר אופיינית. לדוגמה, איור 1 מציג את עקומת הענות התדר של רמקול CUI Devices GC0401K, ‏8 אוהם (Ω),‏ 1 וואט. ה-GC0401K מדורג עבור תדרים בין 390 הרץ (Hz‏) ו-20 קילוהרץ (kHz‏).

איור 1: רמקול GC0401K,‏ 8‎ Ω,‏ 1 וואט, של CUI Devices מדורג עבור תדרים בין 390‎ Hz ו-‎20 kHz. (מקור תמונה: CUI Devices)

רמקולים בדרך כלל מדורגים עבור האזור של עקומת ההענות שלהם בו ההענות היא שטוחה יחסית. מבט‏ קרוב באיור 1 מראה שהענות התדר עבור ה-GC0401K מתחילה להשתטח בערך בתדר ‎350 Hz‏ ונשארת שטוחה יחסית לפחות עד 9‎ kHz‏. בקצה הגבוה לתדרים יש נפילה מסוימת אבל עדיין יציבים עד ‎20 kHz‏.

‏ניתן לראות הענות תדר של רמקול שונה, ה-GF0668 של CUI Devices (איור 2). רמקול זה הוא קצת גדול יותר ויכול להפיק 3 וואט. דרוג הענות התדר הוא בין ‎240 Hz ו-‎.20 kHz רמקול זה יכול להגיע לתדרים מעט נמוכים יותר מה-GC0401K, אך שים לב פעם נוספת שבתחום המוגדר העקומה היא יחסית שטוחה, עם כמה שקעים ושיאים לאורכה.

איור 2: הענות התדר עבור רמקול GF0668‏, 8‎ Ω,‏ 3 וואט, של CUI Devices מראה מדוע הוא מדורג עבור התחום של ‎240 Hz עד ‎30 kHz. (מקור תמונה: CUI Devices)

הרמקול אחרון שכדאי להסתכל על ההענות שלו הוא SP-2804Y של .Soberton Inc (איור 3). ה-SP-2804Y הוא רמקול של 500 מילי-וואט (mW) עם תחום הענות תדר של ‎600 Hz עד 8‎ kHz. חוקי הפיזיקה מבטיחים שככל שהרמקול קטן יותר, כך קשה לו יותר להגיב לתדרים נמוכים יותר. זה אומר שאם מפתחים אינם מסננים תדרים נמוכים יותר ובמקום זה מנסים לדחוף את הרמקול בתדרים אלה, התוצאה יכולה להיות אודיו שנשמע מסוקס או עיוותים בצלילים, שאחרת היו נשמעים ברורים כשמש.

שים לב שישנה ירידה משמעותית בהיענות התדר סביב ה-‎10 kHz. לכן, הרמקול מדורג עד ‎8 kHz בלבד למרות שניתן להשתמש בו עד ‎20 kHz עבור יישומים מסוימים.

איור 3: הענות התדר עבור רמקול SP-2804Y‏, 8‎ Ω,‏ 0.5 וואט, של .Soberton Inc מראה שהוא מתאים לתדרים מ-‎600 Hz עד ‎8 kHz. יש לרמקול ירידה אחרי 10‎ kHz אך הוא עדיין בר-שימוש עד 20‎ kHz עבור יישומים מסוימים. (מקור תמונה: CUI Devices)

אם מסתכלים על הענות התדר של כל רמקול, ברור שחייב להתבצע סינון וכוונון כלשהו מאחר וישנם תדרים מסוימים בהם אין לדחוף רמקול. לדוגמה, ניסיון לדחוף צליל בס של ‎4 Hz ברמקולים אלה עלול לגרום לרעידות ממושכות ועליהן יוזרקו תדרים גבוהים יותר, וכתוצאה מכך נקבל עיוותי צליל רבים.

ניתוח של בלוק מסנן דיגיטלי אודיו

שיטה אחת שהשתמשו בה בעבר כדי להסיר תדרים בלתי רצויים הייתה לבנות מסנני חומרה במסלול האות המוביל אל הרמקול. לדוגמה, מסנן מעביר-גבוהים בתדר ‎500 Hz‏ יכול למנוע הגעה מוחלטת של תדרים מתחת ל-‎500 Hz‏ אל הרמקול. בקצה השני, ניתן להשתמש במסנן מעביר-נמוכים כדי להסיר כל צליל של אודיו מעל 15‎ kHz. ניסיון אישי מראה שלפעמים אם משמיעים קול של אשה ברמקול קטן שהוא נציל בתדרים גבוהים יותר, הרמקול יכול להציג אנפוף צורם. בחירה זהירה של התדרים יכולה להסיר עיוותים אלה וליצור אודיו שנשמע צלול יותר.

בעוד מסנני חומרה חיצוניים יכולים לעשות את העבודה, הם מוסיפים עלויות ותופסים מקום נוסף. מסיבות אלו, פרקטי ויעיל יותר לכוונן את האודיו תוך שימוש בבלוק המסנן הדיגיטלי הבנוי בתוך קודק אודיו.

לדוגמה, בדיאגרמת המלבנים של קודק האודיו AKM Semiconductor AK4637 24‎-bit‏ מודגש בלוק המסנן הדיגיטלי (איור 4).

איור 4‏: ה-AK4637‏ הוא קודק אודיו עם יציאת רמקול מונו בעל יכולות הקלטת והשמעת אודיו. הוא גם מכיל בלוק אודיו פנימי שניתן להשתמש בו לסינון אודיו נכנס ויוצא כדי לשפר נאמנות אודיו (audio fidelity). (מקור תמונה: AKM Semiconductor)

בלוק המסנן הדיגיטלי במקרה זה כולל מספר יכולות סינון שונות הכוללות:

• מסנן מעביר-גבוהים (HPF2)
• מסנן‏ מעביר-נמוכים (LPF)
• ‏Equalizer ארבעה-פסים (‎4-Band EQ)
• בקרת רמה אוטומטית (ALC)
• ‏Equalizer אחד-פס (‎1 Band EQ)

לא כל היכולות האלו חייבות להיות מאופשרות. מפתחים יכולים לבחור אילו יכולות הם צריכים, ולאפשר ולהשבית את הבלוק בהתאם, או לנתב אודיו של מיקרופון או השמעה דרכן. השאלה האמיתית כרגע היא כיצד לחשב ולתכנת את קודק האודיו?

כיצד לחשב ולתכנת פרמטרים של מסנן דיגיטלי

במרבית יישומי האודיו, משתמשים במסנן מעביר-גבוהים כדי להסיר תדרים נמוכים יותר ובמסנן‏ מעביר-נמוכים כדי לנפות תדרים גבוהים יותר. Equalizer יכול לשמש להחלקת עקומת הענות התדר או להדגיש צלילים מסוימים. כיצד בדיוק יש לבחור בקביעות אלו היא מעבר להיקף של מאמר זה. במקום זה, המאמר יסתכל כיצד לחשב ולתכנת את הערכים הקשורים עם פרמטרים אלה, תוך שימוש ב-AKM AK4637 כדוגמה.

ראשית, זה תמיד רעיון טוב לבחון את גיליון הנתונים. עמודים 7 ו-8 במקרה זה מראים את מפת האוגרים החשובה מאוד של הקודק. מבט‏ ראשון עלול להיות מפחיד בהינתן שלחלק יש 63 אוגרים. אולם, רבים מאוגרים אלה מפקחים על בלוק האודיו הדיגיטלי. לדוגמה, אוגרים 0x22 עד 0x3F מפקחים על ה-Equalizer. אוגרים 0x19 עד 0x1C מפקחים על מסנן מעביר-הגבוהים, בעוד 0x1D עד 0x20 מפקחים על מסנן מעביר-הנמוכים.

מפתחים, בדרך כלל, אינם יכולים רק לציין תדר כדי להזין לתוך הקודק. במקום זה, קיימת משוואת‏ מסנן המשמשת לחשב מקדמי מסנן, שמתוכנתים לאחר מכן לתוך אוגרי הקודק כדי ליצור את המסנן בתדר המבוקש. לדוגמה, כדי להשתמש בבלוק הדיגיטלי ליצירת מסנן מעביר-גבוהים ב-600‎ Hz, תשתמש במשוואה 1:

איור 5: מוצגות המשוואות הדרושות לחישוב המקדמים עבור מסנן מעביר-גבוהים עבור בלוק המסנן הדיגיטלי AK4637. (מקור תמונה: AKM Semiconductor)

מפתח יזהה את תדר הקטעון הרצוי, fc, שבמקרה זה הוא ‎600 Hz‏. הערך האופייני של תדר דגימת האודיו, fs‏, הוא ‎48 kHz‏, אך יכול להשתנות בהתאם ליישום. ערכים אלה יוצבו אחר כך במשוואה עבור חישוב מקדמים A ו-B. ערכי מקדמים אלה נכתבים אחר כך באוגרי הקודק דרך I²C בזמן הדלקה. אותו תהליך ישמש עבור מסננים מעבירי-הנמוכים ויכולות בלוק דיגיטלי אחרות, למרות שפונקציות ההעברה לעיתים קרובות יהיו שונות וידרשו שימוש במערך משוואות משלהן (ראה גיליון הנתונים).

טיפים וטריקים עבור כוונון קודק אודיו

הבלוקים של מסנן דיגיטלי הכלולים בקודק אודיו לעתים די גמישים ורבי-עוצמה. אפילו קודק אודיו בעלות נמוכה מספק למפתחים את הכלים הדרושים להפיק אודיו באמינות גבוהה (high-fidelity). למרות זאת, בסופו של יום, קודק האודיו הוא רק חלק אחד של הפזל. כדי לכוונן בהצלחה קודק אודיו ישנם מספר "טיפים וטריקים" שעל המפתחים לזכור:

• הבטח שהרמקול מורכב במארז מתאים עבור היישום. תיבת רמקול לא מתוכננת כראוי יכולה להרוס בקלות מערכת השמעה שחוץ מזה היא מושלמת.
• אל תכוונן את הבלוקים של מסנני האודיו בקודק עד שהמערכת מורכבת במלואה בתצורה לפי כוונת הייצור. אחרת, פרמטרים של כוונון עלולים להשתנות.
• בחר בתחום התדרים בהתבסס על האודיו שיושמע. לדוגמה, קביעת התדרים עבור מוזיקה מגיטרה, פסנתר או דיבור של מישהו תהיה שונה בכל מקרה ומקרה.
• השתמש בבלוק האיזון הדיגיטלי כדי לפצות על הענות התדר של הרמקול. תדרים מסוימים יישמעו כמובן בעוצמה גבוהה יותר וצלולים יותר ויידרש להנחיתם, בעוד שיהיה צורך להגביר תדרים אחרים.
• השתמש בצלילי בחינה כדי להעריך את הענות התדר של המערכת. חיפוש פשוט באינטרנט יספק קבצי MP3 עבור מגוון רחב של צלילי אודיו שיכול לשמש להבנת הענות התדר של מערכת השמעת האודיו וכיצד עובד בלוק המסנן הדיגיטלי.
• שמור את הגדרות התצורה של בלוק המסנן בזיכרון Flash או EEPROM כך שניתן לשבצן בעת הייצור כדי להיוותר עם שינויים ממערכת-למערכת (אם אלה מהווים סיבה לדאגה).

מפתחים שיישמו "טיפים וטריקים" אלה יגלו שהם חוסכים לא מעט זמן ועוגמת נפש כשינסו לכוונן את מערכת השמעת האודיו שלהם, ויבטיחו שהיא תגיע לשוק עם מאפייני האודיו המיועדים.

מסקנה

הוספת קודק אודיו למערכת משובצת אינה מבטיחה שהיא תשמע טוב למשתמש הקצה. כל מערכת השמעת אודיו צריכה להיות מכווננת בקפדנות. ניתן להשתמש במסננים חיצוניים כדי להשיג כוונון זה, אך מערכות קודק אודיו באות עם יכולות סינון ואיזון דיגיטלי מובנות. כפי שהראנו, ניתן להשתמש ביכולות אלו כדי להזין את הרמקול רק בתדרים להם הוא מתאים ביותר. עם ניתוח ויישום קפדני של הגדרות מסנן, מפתחים יכולים ליצור את האודיו עם הצליל הצלול שמשתמשי קצה מצפים מההתקנים שלהם.