วิธีใช้ตัวแปลงสัญญาณเสียงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเสียงในระบบฝังตัวได้ง่ายขึ้น

นักออกแบบหลายคนรวมตัวแปลงสัญญาณเสียงไว้ในการออกแบบระบบฝังตัวที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อเพิ่มเสียงที่มีความเที่ยงตรงสูง ในการทำเช่นนี้พวกเขาต้องหาวิธีปรับแต่งตัวแปลงสัญญาณเสียงสำหรับแอปพลิเคชันของตน หากไม่มีการปรับแต่งแอปพลิเคชั่นอาจถูกปล่อยให้เสียงเรียบหรือมีคุณภาพต่ำแม้จะมีตัวแปลงสัญญาณและลำโพงที่ดี ปัญหาคือลำโพงทุกตัวมีการตอบสนองความถี่ของตัวเองดังนั้นควรปรับตัวแปลงสัญญาณให้เข้ากับลักษณะของลำโพงในขณะเดียวกันก็คำนึงถึงประเภทของเสียงที่จะเล่นและการตอบสนองที่ต้องการ

วิธีแก้ปัญหาในการปรับแต่งระบบการเล่นเสียงไม่ใช่การใช้การกรองฮาร์ดแวร์ แต่ใช้ประโยชน์จากบล็อกการกรองดิจิทัลของตัวแปลงสัญญาณเสียงของตัวแปลงสัญญาณเสียงแทน ตัวแปลงสัญญาณทุกตัวมีบล็อกนี้เพื่อให้นักพัฒนาสามารถกรองเอาต์พุตโดยใช้ตัวกรองความถี่สูง, ความถี่ต่ำและแบนด์พาสได้ สิ่งนี้ช่วยให้สามารถปรับการตอบสนองของลำโพงได้อย่างรอบคอบและปรับได้เท่าที่จำเป็น

บทความนี้จะกล่าวถึงบล็อกเสียงดิจิทัลภายในที่รวมอยู่ในตัวแปลงสัญญาณโดยใช้ตัวแปลงสัญญาณจาก AKM Semiconductor นี้เป็นตัวอย่าง นอกจากนี้ยังจะกล่าวถึงเคล็ดลับและเทคนิคต่างๆเกี่ยวกับวิธีปรับแต่งตัวแปลงสัญญาณที่จะช่วยให้นักพัฒนาสามารถเร่งพัฒนาการเล่นเสียงของพวกเขาในขณะที่ปรับปรุงคุณภาพเสียงของระบบ

การทำความเข้าใจลักษณะการตอบสนองความถี่ของลำโพง

บทความ "วิธีเลือกและใช้ตัวแปลงสัญญาณเสียงและไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับไฟล์เสียงตอบรับแบบฝัง” กล่าวถึงพื้นฐานของการเลือกและเพิ่มตัวแปลงสัญญาณให้กับระบบ ขั้นตอนต่อไปคือการใช้ตัวแปลงสัญญาณนั้นเพื่อให้ได้เอาต์พุตเสียงที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

มีปัจจัยหลายประการที่ส่งผลให้เสียงที่ออกจากระบบออกมาเป็นอย่างไร ปัจจัยเหล่านี้ ได้แก่ :

• กล่องหุ้มของลำโพง
• วิธีการติดตั้งลำโพง
• ความถี่เสียงที่กำลังเล่น
• การตอบสนองความถี่ของลำโพง

หลังจากพิจารณาปัจจัยเหล่านี้อย่างถี่ถ้วนแล้วนักพัฒนาจะรู้ในไม่ช้าว่าการปรับแต่งระบบเสียงจะมีประโยชน์ก็ต่อเมื่ออยู่ในสถานะการผลิตขั้นสุดท้ายเท่านั้น แน่นอนว่าระบบสามารถปรับจูนได้ด้วยแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) และลำโพงนอกตัวเครื่อง แต่ไม่ควรคาดหวังว่าพารามิเตอร์การปรับแต่งเดียวกันเหล่านี้จะใช้เมื่อติดตั้งลำโพงและภายในตู้

หากทีมกลไกได้ออกแบบโครงและตัวยึดระบบอย่างถูกต้องลักษณะสำคัญที่นักพัฒนาต้องเฝ้าดูอย่างใกล้ชิดคือการตอบสนองความถี่ของลำโพง ลำโพงทุกตัวมีลักษณะและเส้นโค้งการตอบสนองที่แตกต่างกัน แม้แต่ลำโพงที่มีหมายเลขชิ้นส่วนเดียวกันก็มักจะมีการตอบสนองความถี่ที่แตกต่างกันเล็กน้อย แต่ผู้ผลิตมักจะให้เส้นโค้งการตอบสนองความถี่โดยทั่วไป ตัวอย่างเช่นรูปที่ 1 แสดงเส้นโค้งการตอบสนองความถี่สำหรับ CUI Devices GC0401K 8 โอห์ม (Ω) ลำโพง 1 วัตต์ GC0401K ได้รับการจัดอันดับสำหรับความถี่ระหว่าง 390 เฮิรตซ์ (Hz) ถึง 20 กิโลเฮิรตซ์ (kHz)

รูปที่ 1: GC0401K 8 Ωของอุปกรณ์ CUI, ลำโพง 1 วัตต์ได้รับการจัดอันดับสำหรับความถี่ระหว่าง 390 Hz ถึง 20 kHz (แหล่งรูปภาพ: CUI Devices)

โดยทั่วไปลำโพงจะได้รับการจัดอันดับตามพื้นที่ของเส้นโค้งการตอบสนองซึ่งการตอบสนองค่อนข้างแบน การดูรูปที่ 1 อย่างใกล้ชิดแสดงให้เห็นว่าการตอบสนองความถี่ของ GC0401K เริ่มแบนที่ ~350 Hz และค่อนข้างแบนอย่างน้อยถึง 9 kHz ความถี่ระดับไฮเอนด์มีการลดลงบางส่วน แต่ยังคงเสถียรถึง 20 kHz

การตอบสนองความถี่ของลำโพงที่แตกต่างกันสามารถเห็นได้ในอุปกรณ์จาก CUI Devices GF0668 (รูปที่ 2) ลำโพงนี้มีขนาดใหญ่กว่าเล็กน้อยและสามารถให้กำลังขับได้ 3 วัตต์ อัตราการตอบสนองความถี่อยู่ระหว่าง 240 Hz ถึง 20 kHz ลำโพงนี้สามารถตีความถี่ต่ำกว่า GC0401K เล็กน้อย แต่โปรดทราบอีกครั้งว่าในช่วงที่กำหนดเส้นโค้งจะค่อนข้างแบนโดยมีรางและจุดสูงสุดตลอด

รูปที่ 2: การตอบสนองความถี่สำหรับ GF0668 8 Ωของ CUI Devices, ลำโพง 3 วัตต์แสดงให้เห็นว่าเหตุใดจึงได้รับการจัดอันดับสำหรับช่วง 240 Hz ถึง 30 kHz (แหล่งรูปภาพ: CUI Devices)

คำตอบสุดท้ายของลำโพงที่ควรค่าแก่การมองคือ Soberton Inc. SP-2804Y (รูปที่ 3) SP-2804Y เป็นลำโพง 500 มิลลิวัตต์ (mW) ที่มีช่วงตอบสนองความถี่ 600 Hz ถึง 8 kHz กฎของฟิสิกส์ช่วยให้มั่นใจได้ว่ายิ่งลำโพงมีขนาดเล็กเท่าไหร่เวลาที่มันตอบสนองต่อความถี่ต่ำก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าหากนักพัฒนาไม่กรองความถี่ที่ต่ำกว่าออกและพยายามขับลำโพงที่ความถี่เหล่านั้นแทนผลที่ได้อาจเป็นเสียงที่ฟังดูน่ากลัวหรือมีข้อบกพร่องในโทนเสียงที่จะให้เสียงที่ชัดเจน

สังเกตว่าการตอบสนองความถี่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญประมาณ 10 kHz ดังนั้นลำโพงจึงได้รับการจัดอันดับเพียง 8 kHz แม้ว่าอาจใช้งานได้ถึง 20 kHz สำหรับบางแอพพลิเคชั่น

รูปที่ 3: การตอบสนองความถี่สำหรับ SP-2804Y 8 Ω ของอุปกรณ์ CUI, ลำโพง 0.5 วัตต์แสดงให้เห็นว่าเหตุใดจึงได้รับการจัดอันดับสำหรับช่วง 600 Hz ถึง 8 kHz มีการลดลงหลังจาก 10 kHz แต่ยังสามารถใช้งานได้ถึง 20 kHz สำหรับบางแอปพลิเคชัน (แหล่งรูปภาพ: CUI Devices)

เมื่อพิจารณาถึงการตอบสนองความถี่ของลำโพงแต่ละตัวจะเห็นได้ชัดว่าการกรองและการปรับแต่งบางประเภทจำเป็นต้องเกิดขึ้นเนื่องจากมีบางความถี่ที่ไม่ควรขับเคลื่อนลำโพง ตัวอย่างเช่น การพยายามขับเสียงเบส 4 Hz บนลำโพงเหล่านี้อาจทำให้เกิดการสั่นสะเทือนที่ยาวนานซึ่งความถี่ที่สูงขึ้นจะถูกฉีดเข้าไปส่งผลให้เกิดความผิดเพี้ยนของเสียงมาก

การแยกบล็อกตัวกรองเสียงดิจิทัล

วิธีการหนึ่งที่ใช้ในอดีตเพื่อปรับความถี่ที่ไม่ต้องการคือการสร้างตัวกรองฮาร์ดแวร์ที่นำไปสู่ลำโพง ตัวอย่างเช่น ตัวกรองความถี่สูงที่ 500 Hz สามารถป้องกันไม่ให้ความถี่ต่ำกว่า 500 Hz ส่งไปยังลำโพงได้ ในอีกด้านหนึ่งสามารถใช้ฟิลเตอร์ความถี่ต่ำเพื่อลบโทนเสียงที่สูงกว่า 15 kHz ได้ ประสบการณ์ส่วนบุคคลแสดงให้เห็นว่าบางครั้งหากมีการใช้เสียงของผู้หญิงกับลำโพงขนาดเล็กที่มีประสิทธิภาพในความถี่ที่สูงขึ้นผู้พูดสามารถส่งเสียงแหลมสูงได้ การเลือกความถี่อย่างระมัดระวังสามารถลบความผิดเพี้ยนเหล่านี้และสร้างเสียงที่ชัดเจนยิ่งขึ้น

แม้ว่าตัวกรองฮาร์ดแวร์ภายนอกสามารถทำงานได้ แต่จะเพิ่มต้นทุนและใช้พื้นที่เพิ่มเติม ด้วยเหตุผลเหล่านี้การปรับแต่งเสียงโดยใช้บล็อกตัวกรองดิจิทัลที่มีอยู่ในตัวแปลงสัญญาณเสียงจึงเป็นประโยชน์และมีประสิทธิภาพมากกว่า

ตัวอย่างเช่น แผนภาพบล็อกสำหรับตัวแปลงสัญญาณเสียง AKM Semiconductor AK4637 24 บิตจะมีการไฮไลต์บล็อกตัวกรองดิจิทัล (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: AK4637 เป็นตัวแปลงสัญญาณเสียงที่มีเอาต์พุตลำโพงโมโนที่มีความสามารถในการเล่นและบันทึกเสียง นอกจากนี้ยังมีบล็อกเสียงภายในที่สามารถใช้เพื่อกรองเสียงขาเข้าและขาออกเพื่อปรับปรุงความเที่ยงตรงของเสียง (แหล่งรูปภาพ: AKM Semiconductor)

บล็อกตัวกรองดิจิทัลในกรณีนี้มีความสามารถในการกรองที่แตกต่างกันหลายประการซึ่งรวมถึง:

• ตัวกรองความถี่สูง (HPF2)
• ตัวกรองความถี่ต่ำ (LPF)
• อีควอไลเซอร์สี่แบนด์ (4 แบนด์ EQ)
• ระบบควบคุมการปรับระดับอัตโนมัติ (ALC)
• อีควอไลเซอร์วงเดียว (1 แบนด์ EQ)

คุณสมบัติเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องเปิดใช้งานทั้งหมด นักพัฒนาสามารถเลือกคุณสมบัติที่ต้องการและเปิดใช้งานและปิดการใช้งานบล็อกหรือกำหนดเส้นทางไมโครโฟนหรือเล่นเสียงผ่านคุณสมบัติเหล่านี้ คำถามที่แท้จริงในช่วงสำคัญนี้คือ จะคำนวณและตั้งโปรแกรมตัวแปลงสัญญาณเสียงได้อย่างไร?

วิธีคำนวณและตั้งโปรแกรมพารามิเตอร์ตัวกรองดิจิทัล

ในแอปพลิเคชั่นเสียงส่วนใหญ่จะใช้ฟิลเตอร์ความถี่สูงเพื่อลบความถี่ต่ำและใช้ฟิลเตอร์ความถี่ต่ำเพื่อแยกความถี่ที่สูงขึ้น อาจใช้อีควอไลเซอร์เพื่อปรับเส้นโค้งการตอบสนองความถี่ให้เรียบหรือเพื่อเน้นโทนเสียงบางอย่าง วิธีการเลือกการตั้งค่าเหล่านี้อยู่นอกเหนือขอบเขตของบทความนี้ มันจะดูวิธีการคำนวณและโปรแกรมค่าที่เกี่ยวข้องกับพารามิเตอร์เหล่านี้แทนโดยใช้ AKM AK4637 เป็นตัวอย่าง

ก่อนอื่นควรตรวจสอบแผ่นข้อมูลเสมอ หน้าที่ 7 และ 8 ในกรณีนี้จะแสดงแผนผังการลงทะเบียนที่สำคัญทั้งหมดสำหรับตัวแปลงสัญญาณ ครั้งแรกอาจดูเป็นการข่มขู่เนื่องจากชิ้นส่วนนั้นมีการลงทะเบียน 63 รายการ อย่างไรก็ตามการลงทะเบียนจำนวนมากเหล่านี้ควบคุมบล็อกเสียงดิจิทัล ตัวอย่างเช่นลงทะเบียน 0x22 ถึง 0x3F ควบคุมอีควอไลเซอร์ ลงทะเบียน 0x19 ถึง 0x1C ควบคุมตัวกรองความถี่สูงในขณะที่ 0x1D ถึง 0x20 ควบคุมตัวกรองความถี่ต่ำ

โดยปกติแล้วนักพัฒนาจะไม่สามารถระบุความถี่ในการป้อนข้อมูลลงในตัวแปลงสัญญาณได้ มีสมการตัวกรองที่ใช้ในการคำนวณค่าสัมประสิทธิ์ของตัวกรองแทนซึ่งจะถูกตั้งโปรแกรมลงในตัวแปลงสัญญาณเพื่อสร้างตัวกรองตามความถี่ที่ต้องการ ตัวอย่างเช่น หากต้องการใช้บล็อกตัวกรองดิจิทัลเพื่อสร้างตัวกรองความถี่สูงที่ 600 Hz ให้ใช้สมการ 1:

รูปที่ 5: แสดงเป็นสมการที่จำเป็นในการคำนวณค่าสัมประสิทธิ์สำหรับตัวกรองความถี่สูงสำหรับบล็อกตัวกรองดิจิตอล AK4637 (แหล่งรูปภาพ: AKM Semiconductor)

นักพัฒนาจะระบุความถี่คัตออฟที่ต้องการ fc ซึ่งในกรณีนี้คือ 600 Hz ความถี่ในการสุ่มตัวอย่างเสียง fs โดยทั่วไปคือ 48 kHz แต่อาจแตกต่างกันไปตามแอปพลิเคชัน จากนั้นค่าเหล่านี้จะถูกวางไว้ในสมการสำหรับการคำนวณค่าสัมประสิทธิ์ A และ B จากนั้นค่าเหล่านี้จะถูกเขียนไปยังตัวแปลงสัญญาณที่ลงทะเบียนบน I²C ระหว่างการเริ่มต้น กระบวนการเดียวกันนี้จะใช้สำหรับตัวกรองความถี่ต่ำและคุณสมบัติบล็อกดิจิทัลอื่น ๆ แม้ว่าฟังก์ชันการถ่ายโอนมักจะแตกต่างกันโดยต้องใช้ชุดสมการของตนเอง (อ้างอิงจากแผ่นข้อมูล)

คำแนะนำและคำแนะนำในการปรับแต่งตัวแปลงสัญญาณเสียง

บล็อกตัวกรองดิจิทัลที่รวมอยู่ในตัวแปลงสัญญาณเสียงมักจะค่อนข้างยืดหยุ่นและทรงพลัง แม้แต่ตัวแปลงสัญญาณเสียงราคาประหยัดก็มีเครื่องมือที่จำเป็นในการสร้างเสียงที่มีความเที่ยงตรงสูงให้กับนักพัฒนาซอฟต์แวร์ ในตอนท้ายของวันตัวแปลงสัญญาณเสียงเป็นเพียงส่วนหนึ่งของปริศนา ในการปรับแต่งตัวแปลงสัญญาณเสียงให้ประสบความสำเร็จมี "เคล็ดลับและเทคนิค" ที่นักพัฒนาควรคำนึงถึงหลายประการเช่น:

• ตรวจสอบให้แน่ใจว่าติดตั้งลำโพงในกล่องหุ้มที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน กล่องลำโพงที่ออกแบบมาไม่เหมาะสมสามารถทำลายระบบการเล่นที่สมบูรณ์แบบได้อย่างง่ายดาย
• อย่าปรับบล็อคตัวกรองเสียงของตัวแปลงสัญญาณจนกว่าระบบจะประกอบเข้าด้วยกันอย่างสมบูรณ์ในการกำหนดค่าความตั้งใจในการผลิต มิฉะนั้นการปรับแต่งพารามิเตอร์อาจมีการเปลี่ยนแปลง
• เลือกช่วงความถี่ตามเสียงที่จะเล่น ตัวอย่างเช่น การตั้งค่าความถี่สำหรับเพลงจากกีตาร์เปียโนหรือคนที่พูดทั้งหมดจะแตกต่างกัน
• ใช้ดิจิตอลบาลานซ์บล็อกเพื่อชดเชยการตอบสนองความถี่ของลำโพง ความถี่บางความถี่จะดังขึ้นและชัดเจนขึ้นตามธรรมชาติและอาจต้องลดทอนในขณะที่ความถี่อื่น ๆ อาจต้องได้รับการขยาย
• ใช้เสียงทดสอบเพื่อประเมินการตอบสนองความถี่ของระบบ การค้นหาทางอินเทอร์เน็ตอย่างง่ายจะให้ไฟล์ mp3 สำหรับโทนเสียงที่หลากหลายซึ่งสามารถใช้เพื่อทำความเข้าใจการตอบสนองความถี่ของระบบการเล่นเสียงและวิธีการทำงานของบล็อกฟิลเตอร์ดิจิทัล
• จัดเก็บการตั้งค่าการกำหนดค่าบล็อกตัวกรองในแฟลชหรือ EEPROM เพื่อให้สามารถตั้งค่าระหว่างการผลิตเพื่อพิจารณารูปแบบจากระบบต่อระบบ (หากมีข้อกังวล)

นักพัฒนาที่ปฏิบัติตาม "กลเม็ดเคล็ดลับ" เหล่านี้จะพบว่าพวกเขาช่วยประหยัดเวลาและความเศร้าโศกได้ไม่น้อยเมื่อพยายามปรับแต่งระบบการเล่นเสียงของพวกเขาและตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ออกสู่ตลาดด้วยลักษณะเสียงที่ต้องการ

สรุป

การเพิ่มตัวแปลงสัญญาณเสียงลงในระบบฝังตัวไม่ได้รับประกันว่าจะให้เสียงที่ดีสำหรับผู้ใช้ ระบบการเล่นเสียงทุกระบบต้องได้รับการปรับแต่งอย่างรอบคอบ เป็นไปได้ที่จะใช้ตัวกรองภายนอกเพื่อให้ได้การปรับแต่งนี้ แต่ตัวแปลงสัญญาณเสียงมาพร้อมกับความสามารถในการกรองแบบดิจิทัลและความสมดุลในตัว ดังที่แสดงไว้สิ่งเหล่านี้สามารถใช้ป้อนลำโพงได้เฉพาะความถี่ที่เหมาะสมที่สุดเท่านั้น ด้วยการวิเคราะห์และประยุกต์ใช้การตั้งค่าตัวกรองอย่างรอบคอบนักพัฒนาสามารถสร้างเสียงที่ชัดเจนที่ผู้ใช้ปลายทางคาดหวังจากอุปกรณ์ของตนได้