digitale audio chips elektuur februari 1983
van digitale TV naar digitale versterker
Vreemd genoeg is de eerste digitale versterker-chip eigenlijk bedoeld voor toepassing in TV's. In het kader van de ontwikkeling van een digitale TV, was men bij ITT-Intermetall bezig met het ontwerpen van een serie speciale IC's. Waarschijnlijk onder het motto van "nu we toch bezig zijn . . .", heeft men in dit projekt ook maar gelijk het audio-deel van de TV meegenomen. Vandaar dus. Voor de verwerking van het audio-signaal — inklusief stereo/2-kanaals-dekodering werden twee chips ontwikkeld: de stereo A/D-omzetter MAA2300 en de digitale "real-time" signaalprocessor MAA2400. Voor toepassing in TV's is natuurlijk een
eerste eis dat de kosten van een dergelijk systeem laag dienen te zijn. Geen enkele TV-fabrikant kan zich de luxe permitteren om alleen voor een D/A-omzetter al drie komplexe IC's te gebruiken zoals bij de Compact Disc speler. Dat maakt dat men onvermijdelijk op een geheel ander koncept uitkomt dan bij digitale audio voor de hifisektor. Vooral de één-chip MAA2300 is daar een sprekend voorbeeld van. Ook al is het dan (nog) allemaal geen hifi, het is wel degelijk interessant om te zien wat voor oplossingen men heeft uitgepuzzeld. De digitale signaal-processor MAA2400, bijvoorbeeld, mag dan misschien ontworpen zijn voor toepassing in het audio-deel van
Wanneer we serieus denken over digitale audio, mag uiteraard de versterker als "hart" van elke installatie niet buiten schot blijven. De digitalisering van dat onderdeel is echter geen kinderachtig karwei. Sinds kort is er een IC waarmee inderdaad alle funkties van een voor- en regelversterker op digitale wijze kunnen worden gerealiseerd. Daarmee is de laatste hindernis tussen "gewone" analoge versterker en digitale audio-processor uit de weg geruimd. Het profiel van de toekomstige hifi-versterker tekent zich al af: processor-struktuur, software-struktuur en tijdstruktuur — daar draait het straks om.
digitale audio chips (2)
een TV, toch kan hij wel degelijk gezien worden als voorloper van een hele familie digitale audio-processors die op soortgelijke hardware- en software-struktuur gebaseerd zijn. In zoverre is deze chip beslist een trendsetter voor de nieuwe generatie digitale versterkers. Een generatie die wellicht sneller realiteit zal zijn dan menigeen denkt .
digitale audio chips elektuur februari 1983
MAA 2300
2 -kanaals A/D -omzetter met één IC
Figuur 1 toont het blokschema van de MAA2300. De digitalisering van de beide analoge ingangssignalen gebeurt hier niet met behulp van een "echte" binaire A/D-omzetter, maar met een 1-bits kwantisering in sigma-deltamodulatoren (pulsdichtheid-modulatoren). Deze leveren een 1-bits data-stroom met een snelheid van maximaal 4 MHz (4 Mbit/s); een digitaal filter maakt er vervolgens datawoorden van met een lengte van 16 bit en een snelheid van 35 kHz. Dit systeem wordt ook toegepast bij de A/D-omzetting in de telekommunikatie-techniek (codecs voor digitale telefoon). Door de zeer hoge aftastfrekwentie (sampling-frekwentie) van de sigma-delta-modulatoren, hoeft de signaal-bandbreedte aan de ingang niet met steile filters te worden begrensd. De met deze A/D-omzetter bereikte signaal/ruis-afstand ligt ongeveer op hetzelfde nivo als die van een koriventionele 13-bit A/D-omzetter. De MAA2300 bevat ook nog een digitaal piloottoon-filter dat uit het audio-signaal van kanaal II de amplitude-gemoduleerde identifikatie-signalen (piloottonen) tevoorschijn haalt; met die signalen wordt aangegeven of het om een mono, stereo of 2-kanaals uitzending gaat. Ook die piloottoon wordt digitaal tot een kleine bit-rate teruggebracht. Aan de uitgang van de A/D-omzetter zijn drie signalen aanwezig: De data, die serieel wordt overgedragen en die cyclisch audio I (16 bit), audio II (16 bit) en piloottoon (10 + 1 bit) bevat, alsmede een 4 MHz clock en een 32 kHz sync-signaal voor een synchrone data-overdracht. Figuur 2 geeft aan hoe de A/D-omzetter in de praktijk wordt gebruikt. Aan de ingangen zijn aanwezig: audio I en audio II, alsmede "01", te weten een clock-ingang voor een 17,7 MHz clockgenerator (IC type MEA2600) en tenslotte een reset-ingang. De MAA2300 is uiteraard ook geschikt voor normale stereo-toepassingen; de piloottooninformatie is dan domweg overbodig.
Figuur 1. Blokschema van de audio A/D-omzetter MAA2300. Hij is bedoeld voor twee audio-kanalen en levert aan de uitgang seriële 16-bits data-woorden met een byte-rate van 35 kHz per kanaal.
2 01 0 e5V —3V
audio I
audio I, piloottoon
Figuur 2. Toepassing van de MAA2300. De hoge sampling-frekwentie van de toegepaste modulatoren maakt ingangsfilter overbodig.
3 t MAA 2400)
3 1M-bus
IM-Bus
interface
C-RAM
ALU
C-FIOM
—77— —77— ADC-Ieutinterface
ADC Bus
datahut 1
L PWMinterface
PWM R
atebus 2
data-RAM ADfl-hut
De digitale audio -processor Prnffmnecounter
stuurlogike
Clock
Re st Figuur 3. Blokschema van de digitale audio-processor MAA2400. De hardwarestruktuur doet sterk denken aan die van een één-chips microcomputer.
ROM
L
_J 83018 - 3
Dan zijn we nu bij het IC MAA2400 aangeland. Dat is een processor, speciaal bedoeld om de door de MAA2300 geleverde signalen verder te verwerken. Voor zover ons bekend is deze chip daarmee echt de allereerste volledig geïntegreerde digitale audio-processor. Het IC voert een groot aantal digitale processen met zeer hoge snelheid uit. Een gedetailleerde beschrijving van wat de processor precies allemaal doet en hóe hij het doet, zou binnen het kader van dit 2-55
digitale audio chips elektuur februari 1983
artikel wat te ver voeren. In wezen is het IC de hardware-interfaces weergegeven. In tegenstelling tot figuur 3, laat dit blokop dezelfde manier opgebouwd als een éénschema er geen enkele twijfel over bestaan chip micrcomputer, met daarbij echter een aantal op deze specifieke toepassing geënte dat het om een audio-chip gaat. De aangeinterface- en periferie-schakelingen. geven funkties zouden even goed kunnen Het blokschema van figuur 3 toont de horen bij het blokschema van een gewoon hardware-struktuur van de chip. Opmerkelijk LF -IC: toonregeling, basisbreedte, balans, pseudo-stereo, volume — allemaal bekende is dat uit dit schema nauwelijks valt op te kreten in de audio-wereld. Alleen is het maken dat het om een audio-IC gaat. De instrukties zijn door middel van software wel even wennen aan het idee dat al die in de programme-ROM opgeslagen. Door funkties nu door een speciale één-chip wijziging van het programmeermasker is het mikroprocessor worden verzorgd. in principe heel gemakkelijk mogelijk om Nieuw is dat deze chip aan de uitgangen het IC een andere funktie te geven. Ook het noch digitale, noch analoge, maar daarenvoor toepassing in TV's bedoelde ROMtegen pulsbreedte-gemoduleerde signalen programma van ITT laat de gebruikers levert. In plaats van de gebruikelijke DIAechter nog vrij om basisfunkties via een omzetter vinden we hier digitaal/PWMseriële bus-ingang te modificeren. omzetters, die een direkte aansturing van Wat de funkties zijn van de standaard-ROM, de schakeleindtrappen mogelijk maken. wordt geillustreerd door figuur 4. Behalve Door middel van eenvoudige laagdoorlaatde software-blokken zijn in dat schema ook filtering (integratie) kunnen de PWM-
4 MAA 2400 --1
dematrix
L
deempbesis
1 toonregeling
siolog.
=te
Ó volume
pseutlo-
balante,
pulsbreedte modu• lator
L 1 13
PWM
R naals
deernishasis
toon. regeling
,22.;‘.
Iuma
7- 7signaalindentitilten°
Figuur 4. Dit blokschema illustreert welke funkties de audio-processor verzorgt. De met een sterretje gemerkte blokken stellen hardware-interfaces voor; bij de overige gaat het om software.
2-56
22 23 20
0
R 12 —0
■■■■••■,■
IM-businterface
512
~1
391
401
00
A DC-bu
2:72,
P eredo
pubbreedte modu• la or
mist
substraat
5
6
0 doek
IM-bus
1I
.5 V
1.873, 37317
massa
7,;, 17.2737 83018,4
5a
sync.
digitale audio chips elektuur februari 1983
(
start bij sync.
denottrix reset
de-ernphasis toon hoog toon laag fysiologie stereo-basis
toggled programme links/rechts
in itialiseringsnormeringsroutine ret.-adn-trd tellertijd, 510
pseudostereo
M10-M42
M46 M47
vol x bal
output to PWM JMP rat. adr.
IDENTI inWde nn'tiff ik tic
I
eneble PWM Iret.-adr. = DEK
ret.-adr.-INDENT
DEK
de inaken jori ng
output dekod. ret.-adn-INDENT
3
i
83018 - 5a
Figuur 5a. Dit flow-diagram geeft inzicht in de programma-struktuur van de audio-processsor.
5b
dematrisering
toonregeling links/ rechts
stereobasis
kolommen
halt
dematrisering
halt
pseudost. volume balans
- 28 gs
-
4 fs 83019 - 5b
Figuur 5b. Voor de afwerking van het komplete programma staat slechts 28 I.Ls ter beschikking.
signalen worden omgezet in gewone analoge signalen die door elke konventionele versterker kunnen worden verwerkt. Snelle rekenaar
Hoe het voor de realisering van de genoemde funkties benodigde rekenproces er precies uitziet, kunnen we hier slechts globaal aangeven. Het meeste geschiedt met behulp van digitale filtering — een tamelijk gekompliceerde aangelegenheid. Zo moet er voor een zeer eenvoudige filterfunktie al drie maal vermenigvuldigd en drie maal opgeteld
worden. De standaard-procedure voor filtersystemen luidt: "vermenigvuldigen + optellen/aftrekken". Voor een simpele hoogdoorlaatfilter dienen binnen één sampleperiode van 28 gs drie van zulke standaardprocedures te worden afgewerkt, samen met de benodigde data-transformatie. Op hun weg door de MAA2400, ondergaan de digitale audio-signalen ongeveer 100 van dergelijke bewerkingen, zodat er voor elke afzonderlijke standaard-bewerking minder dan 280 ns beschikbaar is. De programmeROM moet daarom extreem snel zijn 2-57
digitale audio chips elektuur februari 1983
6a f,
16 f,
PWEN 17 MHz
0
0
0 0
latch
interpolator
kort. filter en kwantimtie
modulator
audio 16 bit t,
Figuur 6a. Blokschema van een van de beide PWMinterfaces die zich aan de uitgang van de processor bevinden.
0 IR)
16 bit 16 fe.- 554 kHz
4 bit 16.f,
83018 - 6a
6b
HP 4V —
Figuur 6b. Het pulsbreedtegemoduleerde uitgangssignaal van de audioprocessor. Met behulp van laagdoorlaatfiltering kan hieruit ook een analoog signaal worden gedestilleerd.
L 0,4 V 1 16 • f, 83018-66
instrukties kunnen leveren, namelijk met tussenpozen van 56 ns! Het flow-diagram van figuur 5a geeft een idee van het programma dat in de MAA2400 wordt afgewerkt. Na initialisering van de processor wordt het programma gestart met de van de MAA2300 afkomstige sampleclock (sync). Aan het einde van het hoofdprogramma vindt er een vertakking plaats naar verschillende hulpprogramma's. Na de start van het systeem wordt er een bepaalde tijdlus afgewerkt. Normaliter zoekt het hulpprogramma "IDENT" naar eventuele signaal-identifikaties (piloottonen), waarna bij de volgende doorloop van het programma het blokje "identifikatie dekodering" voor de bijbehorende aktie zorgt. De "timing" van het programma wordt geillustreerd door figuur 5. Een komplete doorloop geschiedt in 28 ps, dat betekent dus dat het programma elke sekonde 32.000 keer wordt afgewerkt, waarbij dan maximaal 4 miljoen data-bits worden verwerkt!
Pulsbreedte-modulatie (PWM)
Figuur 6a geeft het blokschema van een van de beide (identieke) PWM-interfaces die zich aan de uitgang bevinden. De audio-informatie arriveert er in de vorm van 16-bit woorden met een sampling-frekwentie van 35 kHz. Na de ingangs-latch volgt een interpolator (tussenwaarde-vormer) die het aantal samples met een faktor 32 verhoogt. Na deze 32-voudige oversampling komen er dus elke sekonde maar liefst 554.000 16-bit-samples uit de interpolator gevlogen! Dan krijgen we een zeer drastische maatregel: Van de fraaie 16-bit woorden blijven nog slechts 4 bits over, welke door de modulator in een 554 kHz PWM-signaal worden omgezet. De resterende 12 bits per sample worden 2-58
natuurlijk niet zonder meer weggegooid, maar gebruikt voor korrektiedoeleinden. Bij de D/A-omzetter van Philips werd deze werkwijze betiteld met "noise shaping" (zie deel 1, jan. '83) en wat hier gebeurt is in feite precies hetzelfde. En dan krijgen we tot slot weer een van die wondertjes waar de digitale audio-techniek ons zo overvloedig op trakteert: De armzalige 4-bit woorden die in laatste instantie zijn overgebleven van de prachtige 16-bit exemplaren die we oorspronkelijk hadden, worden nu zodanig gekorrigeerd dat in het audio-gebied een signaal/ruisverhouding van 75 dB wordt bereikt. 14 (tekeningen: ITT-Intermetall, Freiburg)
Literatuur: INTERMETALL Deutsche ITT Industries GmbH: "Eine neue Dimension — VLSI-Digital-TVSystem", brochure, september 1981. INTERMETALL: "DIGIT 2000, VLSI-DigitalTV-System, Daten f0r Entwicklungsmuster", bestelnummer 6251-190-1D, maart 1982.
