Обзоры
Интегрированное аудио: единый стандарт – множество решений
0

Интегрированное аудио: единый стандарт – множество решений


В пылу горячих споров о достоинствах системных плат какие только доводы не приводят сторонники того или иного продукта. Порой в ход идут даже не столько объективные, сколько "эзотерические" аргументы. И лишь малая часть оппонентов вспоминает о таком немаловажном компоненте современной материнской платы, как интегрированная аудиосистема. Между тем этот вопрос обделен вниманием совершенно незаслуженно. Цель обзора и состоит в том, чтобы познакомить читателя с технологиями, применяющимися в данной области, и совершить небольшой экскурс в мир Onboard Audio.


Введение

Материнские платы с развитыми интегрированными звуковыми функциями — уже привычное явление на рынке. Подобные продукты существуют давно — технология их создания мало чем отличается от проектирования обычной аудиокарты. Любой чип, реализующий функции таковой, как правило, содержит в себе логический и физический интерфейс к той или иной шине периферийных устройств — достаточно предусмотреть на плате для него место, соединение с шиной, "развести" контактную площадку и внешние разъемы.

Поначалу в качестве несущей шины использовалась ISA, затем ее полностью вытеснила более быстродействующая PCI Bus. Материнские платы, где в роли встроенного звукового модуля выступают полновесные PCI-контроллеры, распространены и сегодня — как правило, это достаточно дорогие hi-end-модели. Чаще всего на них встречается популярный звуковой чип C-Media CMI8738 (выпущенный, кстати, еще в 2000 г.), поддерживающий 5 моноканалов, цифровые/аналоговые эффекты обработки, трехмерный звук (A3D, DirectSound3D, EAX). Также попадаются экземпляры с Creative CT5880 (4 канала, поддержка EAX, 64-голосный синтезатор и т. д.), на базе которого построены и несколько отдельных PCI-карт. Бывают и другие конфигурации, но они весьма редки.

Рис. 1. Блок-схема, отражающая общие принципы работы интегрированной аудиосистемы, использующей шину AC-Link и AC’97-кодек

Основной недостаток такого подхода заключается в том, что значительную часть любого аудиочипа занимает дорогостоящая схема DSP (Digital Signal Processor), отвечающая за цифровую обработку звука. В 1996 г. компания Intel выступила с инициативой увеличения функциональности материнских плат с одновременным снижением их стоимости. Опираясь на тот факт, что в большинстве современных систем мощный центральный процессор, в основном, простаивает, она предложила перенести логику DSP именно на него, оставив в качестве отдельного модуля лишь ту часть, которая содержит блок АЦП/ЦАП, а также занимается микшированием звуковых потоков.

С целью продвижения этой идеи Intel предложила сразу серию стандартов, которые вскоре были одобрены и приняты за основу и другими полупроводниковыми компаниями, занимающимися разработкой чипсетов, материнских плат и аудиочипов. Ключевой спецификацией является описание простого последовательного цифрового интерфейса AC-Link — соединение цифрового аудиоконтроллера, выполняющего функции DSP, с микросхемой кодека, описываемого стандартом AC’97. Таким образом была достигнута уникальная взаимозаменяемость — теперь разработка аналоговой части никоим образом не зависела от цифровой.

Поддержка AC-Link была включена в очередную версию спецификации Intel ICH (I/O Controller Hub) и с тех пор присутствует во всех ее чипсетах в качестве неотъемлемой части южного моста. Причем вся логика цифровой обработки возлагается на программные драйверы. Такой же подход используют сегодня VIA и SiS, и лишь NVidia при создании своих чипсетов семейства nForce несколько отошла от этого принципа. Здесь в нескольких ревизиях южный мост, кроме схемы, обеспечивающей передачу PCM-данных непосредственно в AC-Link, содержит блок nForce APU, где аппаратно реализованы некоторые функции DSP.

На основе AC-Link было создано еще несколько стандартов. Один из них — разъем AMR (Audio/Modem Riser) — представляет собой интерфейс для внешних плат, содержащих модемный или аудиокодеки. Успех данной технологии натолкнул разработчиков чипсетов применить этот принцип и для другой периферии, например сетевых карт и иных устройств ввода/вывода. Так появились описания Intel CNR (Communication and Networking Riser) и VIA ACR (Advanced Communications Riser), однако и поныне особой популярности эти решения не имеют. Кроме этого, сейчас контроллеры AC-Link встраиваются практически во все высокоуровневые чипы, ориентированные на работу со звуком, — в частности, в связке с кодеками AC’97 они используются в звуковых картах, мобильных устройствах, продуктах для профессиональной работы с аудио и т. д.

Подробнее о AC’97

Итак, учитывая вышесказанное, становится очевидно, что ключевое влияние на качество звучания встроенных аудиосистем оказывает аналоговая часть (реализация блока микширования, ЦАП/АЦП и т. п.), обеспечиваемая микросхемой, называемой AC’97-кодеком. Вот почему пришло время рассмотреть их поближе.

Согласно этой спецификации кодек должен состоять из двух частей. Первая — это цифровой физический интерфейс к AC-Link, обеспечивающий первичную буферизацию аудиоданных, временнoе разделение входных и выходных потоков, а также осуществляющий общее управление кодеком посредством регистров специального назначения. Вторая часть — аналоговая. Здесь располагаются схемы микширования и усиления звука, поступающего с внешних разъемов кодека. Естественно, что соединяются эти два блока между собой серией ЦАП и АЦП, преобразующих сигнал из аналоговой формы в цифровую и обратно.

Кроме конструктивной блок-схемы, стандарт AC’97 также описывает возможности, которыми должен обладать кодек, чтобы по праву носить "этикетку" AC’97 Compliant. Вот главные пункты из последней версии спецификации под номером 2.3:

  • частота дискретизации 48 kHz (так называемый режим Fixed Rate, кроме этого, для будущего использования описаны Double Rate — c удвоенной частотой, и Variable Rate — с переменной);
  • поддержка не менее четырех входных звуковых стереоканалов и двух моноканалов (при этом не все они могут оцифровываться, достаточно, чтобы они поддерживались микширующим блоком);
  • микрофонный вход с предусилителем (+20 дБ);
  • два стереовыхода (Line_OUT — линейный выход, AUX_Out — дополнительный стереовыход, сконфигурированный как линейный или выход для наушников);
  • один моновыход;
  • универсальный формфактор (48-pin QFP) и стандартизованное назначение выходных разъемов чипа.

Теоретически подобная унификация должна позволить управлять любым AC’97-кодеком с помощью универсального драйвера. Однако на практике дело обстоит иначе. Несмотря на наличие четких предписаний, функции, предоставляемые различными кодеками, все же сильно варьируются от модели к модели. Все дело в том, что AC’97 версии 2.3 описывает множество требований, имеющих статус рекомендованных к реализации. Именно за их счет в мире решений для встроенного аудио и возникает приятное разнообразие.

Так, например, микширующий блок кодека может содержать усилитель и темброблок, управляющий тональной окраской звука. Кроме того, многие производители встраивают в свои продукты аналоговую схему расширения стереобазы сигнала (3D Stereo Enhancement). Практически обязательной является сейчас поддержка оптического или электрического цифрового выхода S/P DIF и развитых средств управления энергосберегающим режимом. Также AC’97 предусматривает наличие в цифровом интерфейсе кодека пользовательских регистров GPIO (General Purpose Input/Output), с помощью которых осуществляется управление его дополнительными возможностями. Одна из популярных функций, реализуемых посредством GPIO, — определение гнезд, куда подключены разъемы. Таким образом, драйверы могут включать вывод звука лишь по необходимости.

Еще одно желательное требование — поддержка каскадирования кодеков. Для этого цифровой интерфейс должен "уметь" распознавать свой уникальный ID и воспринимать только те аудиоданные, которые предназначены именно для него. Так реализуются системы, обеспечивающие вывод многоканального звука, или дополнительные внешние интерфейсные платы, расширяющие количество входов/выходов.

Также AC’97 не содержит строгих предписаний относительно применяемых в кодеке АЦП/ЦАП. Оговаривается, что их разрешение не может быть ниже 18 бит и должно обеспечивать приемлемое качество. С целью минимизации цифровых искажений многие производители вместо преобразователей классической конструкции используют ЦАП типа Sigma/Delta.

Теперь, когда общие принципы построения и отличия кодеков ясны, можно приступить к рассмотрению конкретных продуктов.

Компании и продукты

Технические характеристики протестированных кодеков

Одними из самых популярных моделей являются кодеки компании Analog Devices, тем более что именно их рекомендует к использованию со своими чипсетами и сама Intel. В данный момент линейка продуктов Analog Devices насчитывает 9 чипов (первые две буквы маркировки — AD). Среди них есть относительно дешевые модели с минимальным набором функций (AD1981, AD1985); кодеки с улучшенным качеством звука, использующие мультибитовые наборы ЦАП/АЦП (AD1881A, AD1885, AD1886, AD1887) и технологию D2S (AD1819); c поддержкой S/P DIF и аналогового эквалайзера (AD1980). Ноу-хау Analog Devices заключается в аппаратно-программной технологии SoundMAX. Набор решений SoundMAX Cadenza представляет собой три конфигурации драйверов, рассчитанные на разные потребительские рынки. В ее версиях можно встретить такие уникальные функции, как улучшенное распознавание речи (посредством семантических фильтров), средство Virtual Ear, обеспечивающее реалистичное воспроизведение окружающего звука через наушники, поддержку стереомикрофонов с подавлением шума и обработкой сигнала в реальном времени и т. д. При этом ПО обладает весьма приемлемым быстродействием. Кроме того, частью SoundMAX являются высокоуровневый API для программирования трехмерных аудиоэффектов, а также набор инструментов SmartTools для предварительной подготовки звуковых сэмплов.

Не менее распространены и кодеки компании Realtek. В обзорах они чаще всего встречаются под названием Avance Logic (поскольку в их маркировке присутствуют три буквы ALС), хотя последняя уже свернула производство этих продуктов и передала свои права Realtek. Среди них есть пять стереокодеков — два малобюджетных решения (ALC100 и ALC101), реализующих базовые возможности, и более развитые модели (ALC201, ALC202, ALC203 и ALC250), которые дополнены поддержкой S/P DIF, средствами определения подключения штекеров, интегрированным высокоточным генератором тактовой частоты, улучшенной аналоговой частью и т. д. Кроме этого, компания предлагает шестиканальный кодек ALC650 с цифровым оптическим входом S/PDIF.

C-Media Electronics, уже упоминавшаяся в начале обзора, также имеет в своем арсенале два кодека AC’97 — 4-канальный CMI9738 и 6-канальный CMI9739, поддерживающих программную технологию трехмерного звука Xear 3D. Основное достоинство этих продуктов — низкая стоимость, поэтому они часто встречаются на системных платах low-end.

Известный производитель полупроводниковых продуктов для потребительского рынка Cirrus Logic предлагает под маркой CrystalWare серию качественных AC’97-кодеков (первые четыре символа маркировки CS42). Все модели при относительно небольшой стоимости обеспечивают отличное звучание благодаря использованию АЦП/ЦАП типа Sigma/Delta. Базовая функциональность простых моделей (CS4297A и CS4299) расширяется усилителем для наушников (CS4202) и интегрированным генератором тактовой частоты (СS4205).

Для чипсетов собственного производства компания VIA традиционно рекомендует свои же AC’97-кодеки. Широко известны два чипа: VT1612 — базовый стереокодек со стандартными характеристиками (поддержка S/PDIF, 18-битовый АЦП, расширение стереобазы) и более новый шестиканальный VT1616 (он же — VIA Six-TRAC), являющийся частью аппаратно-программной технологии Vinyl Audio. С помощью драйверов Stylus Audio реализуются известные алгоритмы от Sensaura — аудиоэффекты ближнего поля (Sensaura MacroFX), эффекты окружающего звука (Sensaura EnvironmentFX) и пр.

Кодеки следующих двух производителей в нашем обзоре относятся к классу hi-end — как по стоимости, так и по качеству звучания. Хорошо известная аудиофилам компания SigmaTel представляет серию C-Major (первые четыре буквы маркировки — STAC), насчитывающую свыше 20 моделей. Наиболее активно продвигаемые стереокодеки STAC9750/51/52/53 имеют отличные технические характеристики и содержат самые современные средства — возможность каскадирования, интегрированный усилитель для наушников, автоопределение типа штекера, АЦП типа Sigma/Delta и т. д. Кроме них, есть в арсенале SigmaTel и два 6-канальных кодека STAC9758/59. На программном уровне реализована поддержка технологии трехмерного звука от QSound, имеются драйверы для Linux.

Продукты компании Wolfson Microelectronics можно встретить только на самых дорогих системных платах, полупрофессиональных звуковых платах и внутри мобильных устройств (две первые буквы маркировки — WM). В списке моделей присутствуют и базовые (WM9701/3/4), и более развитые с интегрированным контроллером touchscreen-панелей.

Кроме вышеупомянутых компаний, производством AC’97-кодеков занимаются еще несколько фирм, например National Semiconductor, Asahi Kasei Microsystems и др. Впрочем, увидеть их изделия на современных материнских платах практически невозможно.

А в чем разница?

Ответить на этот вопрос применительно к качеству звучания самых популярных среди производителей (на момент написания статьи) АС’97-кодеков нам поможет программа RightMark AudioAnalyzer 5.0. Что же касается функций и возможностей различных кодеков, то сравнить их поможет составленная нами таблица. В качестве примера в ней также приведены результаты измерений для бюджетной полупрофессиональной звуковой платы Terratec DMX6FireLT.

Почему же устройства, выполняющие, по сути, одну и ту же функцию и весьма схожие между собой конструктивно, так отличаются по результатам измерительных тестов и даже на слух?

Одна из основных проблем, которую приходится решать производителям кодеков с целью обеспечения качественного звучания, — разработка и воплощение алгоритма SRC (Sample Rate Conversion) — для преобразования различных частот сэмплирования к стандартной 48 kHz, на которой работает шина АС-Link в режиме Fixed Rate. Самыми "тяжелыми случаями" для такого преобразования являются близкие частоты дискретизации — например, привычная 44,1 kHz (CD-Audio) — в 48 kHz (звуковая дорожка к DVD-Video) и наоборот. В студиях звукозаписи и мастеринга для подобных преобразований задействуют либо сложные и очень дорогостоящие цифровые конвертеры, либо пару из высококачественных ЦАП/АЦП, но даже при этом специалисты отмечают некоторую деградацию звука. Естественно, оба подхода неприменимы в кодеках, стоящих обычно около $5 за чип. Поэтому используемые в них алгоритмы менее сложны и, соответственно, наносят гораздо больший ущерб звуку. При измерениях это иногда выражается в поистине устрашающих цифрах, подобных результатам теста интермодуляционных искажений для часто встречающихся кодеков Realtek (применительно к ALC650 компания-производитель почему-то нередко употребляет слово "professional").

На рис. 2 изображены полученные нами АЧХ для некоторых кодеков. Графики, приведенные для Realtek ALC650 и C-Media CMI9738, достаточно характерны для различных алгоритмов SRC. Гораздо интереснее выглядит АЧХ для Analog Devices AD1980, по своей равномерности приближающаяся к эталонной –за счет поддержки Variable Rate.

Кроме АЧХ, немаловажным показателем качества воспроизведения музыки является также КНИ (коэффициент нелинейных искажений, total harmonic distortion), характеризующий степень отклонения формы выходного сигнала от подаваемого "синуса" 1 kHz. Профессиональные звуковые платы вносят минимальные нелинейные искажения в воспроизводимый сигнал. Визуально это выражается в более "чистом" графике теста (рис. 3–6). Здесь также отличился AD1980, играющий действительно гораздо "чище" многих кодеков в тесте.

Немало хлопот разработчикам доставляет интегрированный в кодек усилитель, чаще всего являющийся буфером для подключения наушников. Учитывая, что мощность такого усилителя обычно составляет 50 мВт при нагрузке 20 Ом, его присутствие в схеме кодека ощутимо влияет на температурный режим, в котором работают ЦАП и АЦП, а значит, и на количество примешивающегося к сигналу теплового шума. Поэтому часть разработчиков, например VIA, отказались от интегрирования усилителей в свои новые кодеки, хотя и это отнюдь не панацея — все же лучше, когда есть возможность подключить наушники непосредственно к выходу на материнской плате, чем приобретать отдельный усилитель для них. Кроме того, относительно слабый сигнал на участке от кодека к усилителю больше подвержен различным шумам и наводкам вне ПК, и для него более критичным является качество соединительных кабелей.

Еще одна проблема, ответственность за решение которой возложена на разработчиков материнских плат, — это качественная интеграция кодека на плату, что подразумевает обеспечение для него "чистого" питания, продуманной разводки и экранирования. Именно из-за конструктивных особенностей разных материнских плат результаты измерений для одного и того же кодека иногда весьма существенно отличаются, а на слух это может, кроме того, выражаться в помехах от внутренних компонентов ПК, "пролезающих" в звуковой тракт. Так, например, для встроенного звука треск от передвижений мыши, шумы от работы жесткого диска, CD-ROM, сетевой платы и т. д. — обычное явление. В этом смысле у конструкторов полноценных звуковых плат гораздо больше возможностей для обеспечения кодеку "комфортных условий", и даже если один и тот же кодек встречается как на материнской, так и на звуковой плате, последняя, как правило, звучит лучше.

Таким образом, глядя на результаты измерений, можно заметить, что по многим показателям некоторые модели кодеков, в частности AD1980, при условии качественной интеграции на материнскую плату уже догоняют потребительские звуковые платы среднего и даже верхнего ценовых диапазонов. Более подробно о результатах испытаний AD1980 можно почитать в недавнем тесте звуковых плат 5.1, где этот кодек участвовал наравне со многими именитыми устройствами.

Любопытно, что качественными звуковыми решениями оснащают свои материнские платы в первую очередь известные производители — например, кодеки Analog Devices чаще всего встречаются на платах ASUSTeK и Intel. И хотя при выборе материнской платы интегрированный на нее звук — обычно едва ли не последнее, на что обращает внимание среднестатистический потенциальный покупатель, то в данном случае вступает в силу следующее соображение: может быть, действительно имеет смысл доплатить и приобрести более дорогую материнскую плату — доплатить именно те деньги, которые впоследствии вы сэкономите на приобретении отдельной звуковой платы?


Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: