Восьмиканальный цифровой предварительный усилитель с задержками

Filin IP-330
8 channels digital preamp with delays.

Масштабирование технологий.

Цифровые предварительные усилители серии IP-328 позволяют построить автомобильную аудиосистему типа «фронт – тыл» или «двух полосный фронт + сабвуфер». Возможности используемой ПЛИС не позволяли использовать одновременно и регулятор громкости, и трёхполосный выход с задержками. Поэтому я использовал более мощную микросхему ПЛИС EPM1270 для построения блока, поддерживающего и восьмиканальный выход, и регулятор громкости. Так получился блок Filin IP-330.
Печатная плата Filin IP-330 разработана так, что на неё можно устанавливать и более простую микросхему ПЛИС EPM570, и более сложную EPM1270. При разработке использовались IP блоки от предыдущей модели. Пришлось поработать над менеджером памяти, но длительность 55нс цикла доступа ОЗУ хватило для работы восьми каналов при частоте дискретизации 192 кГц.
Над чем пришлось ещё поработать, так это над регулятором громкости. Если вы внимательно присмотритесь к заглавной иллюстрации, то увидите отличие от предыдущих моделей – шаг регулятора громкости теперь 0,5дБ. Это действительно комфортно. Разница уровней в пол децибела трудно различается ухом, и регулировка громкости теперь совершенно плавная и бесшумная.
Поскольку и устройство ПЛИС, и программное обеспечение микроконтроллера построены на модульном принципе, то доработка программы управления микроконтроллера свелась к изменению настроек программы (изменению количества каналов)  и доработке программы управления передачи данных в ПЛИС.
Первоначально планировалось сделать шестиканальный вариант блока, но ресурсов ПЛИС оказалось достаточно для построения восьмиканального блока. Переделка платы свелась к выпайке двух деталей и превращению третьего входа в выход.

В результате получился блок со следующими характеристиками:
- количество входов: 2 (TOSLINK +S/PDIF);
- поддерживаемые форматы: от 44кГц/16бит до 192кГц/24бит;
- количество выходов: 4 (выход 1 без задержек, выходы 2-4 с задержками);
- регулировка уровня сигнала от 0 до -99,5дБ с шагом 0,5дБ;
- регулировка баланса в диапазоне +-16дБ;
- регулировка задержек левого и правого каналов на выходах 2-4;
- диапазон регулирования задержек сигнала 0-24000 см прохождения звука в воздухе (0-70мс);
- память настроек задержек на 4 пресета;
- память текущих настроек уровня громкости, баланса и задержек;
- внешнее управление переключением входов;
- внешнее управление регулировкой уровня;
- размеры блока 155 x 80 x 28мм;
- размеры пульта управления 70 x 55 x 35мм;
- напряжение питания 9 – 18В;
- ток потребления не более 150мА.
Пульт управления аналогичный предыдущим моделям. Поскольку все настройки интерфейса и параметров хранятся в главном блоке, то пульты всех трёх моделей совершенно одинаковы и подходят для управления любым блоком.
Переключать входы можно и с помощью пульта, и с помощью внешнего управляющего провода. Синий провод никуда не подключён – активен вход 1 (по умолчанию) Синий провод замкнут на массу – активен вход 2.
Для управления уровнем сигнала вначале нужно настроить уровень с пульта управления. Отрегулировав необходимый уровень сигнала и баланс каналов, нужно нажать энкодер на две секунды. Так вы сохраните настройки по умолчанию: громкость и задержки каналов. После этого с уровнем сигнала можно управлять дистанционно с помощью белого провода. Замыкание провода на массу на короткое время понижает уровень громкости на 1дБ, замыкание через резистор 1 кОм – повышает уровень громкости на 1дБ. Длительное замыкание провода повторяет команды изменения уровня сигнала на всё время удержания. Кроме того, пульт управления сам по себе удобный в пользовании и может быть закреплён в зоне доступа водителя. Структура меню управления не изменилась, только увеличилось количество регулируемых параметров:

Об искажениях данного предусилителя говорить довольно трудно. Система задержек входного сигнала не вносит никаких искажений, потому что построена на записи и воспроизведении цифрового потока в оперативную память. Регулятор громкости имеет 24 битовую размерность и реализован как сумматор частных слагаемых. Он не имеет обратных связей и не накапливает ошибку округления. Для 16-ти битового входного цифрового потока и 24-х битового выходного регулировка громкости до уровня -46дб не вызывает потерь значащих битов. Измерения уровня высших гармоник на выходе тестового ЦАПа не показали никаких изменений при регулировке уровня сигнала от 0 до -90 дБ. Входы блока имеют гальваническую развязку от питания. Принимаемый цифровой поток S/PDIF проходит в приёмнике WM8805 через узкополосную цепь ФАПЧ с полосой пропускания меньше 100Гц. На выходе приёмника джиттер сигнала не превышает 50 пикосекунд (данные из даташита). Наблюдение глазковой диаграммы сигналов приёмника и передатчика показывает очень медленные смещения фаз между передаваемым и принимаемым сигналами с периодом 10-20 секунд. Как только смещение фаз достигает порогового уровня, срабатывает ФАПЧ и разность фаз устраняется. В дальнейшем процесс повторяется. Это наблюдение качественно подтверждает данные производителя, хотя не позволяет измерить джиттер количественно. Сама ПЛИС тактируется от выхода приёмника, и встроенные генераторы S/PDIF сигнала тактируются напрямую от входного тактового сигнала без промежуточных регистров. Такое решение позволяет получить на выходе максимально стабильный сигнал без дрожания фронтов импульсов. В результате можно утверждать, что сигнал на выходе не только не теряет в качестве, но даже лучше, чем на входе блока.
Итог. Потенциал полученного решения цифровой части может быть максимально раскрыт в составе интегрированного блока с ЦАП на борту. Похожее решение у меня уже есть: «Filin DAC-4». Однако эксперименты по качественному выхлопу ЦАП пока ещё не окончены.

P.S. После обсуждения блока с участниками Киевской автозвуковой тусовки я получил интересное предложение: возможность дистанционного управления блоком с помощью проводного пульта SONY/PIONEER. Мне эта идея понравилась, схема пульта свободно нашлась в сети. После анализа возможностей блока получилась вот такая схема соответствия кнопок управления:

 Для соответствия сопротивлениям пульта SONY я заменил два резистора на плате блока:

Отладка управления проводилась на макете пульта:
 

Программа управления использовалась с новым модульным принципом конечного автомата. Получилось компактно и эффективно. Так что теперь восьмиканальный цифровой предварительный усилитель имеет два пульта управления: один с дисплеем и энкодером и второй резистивный SONY. :)