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常见数字音乐播放器架构方案

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发表于 2012-10-20 17:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
数字音乐播放器将成为主流是一个不争的事实,首先能够支持各种各样的数字音乐,其次是声音将会达到或超越中高端CD的效果,更重要的是,他使用极其方便,支持各种接口以及控制方式

然而数字播放的要求其实比CD还要高,以下为一些分析以及业内公开的信息供大家参考。

一般数播的要求:


1)数字音乐有多种码率,从32khz~192khz不等,从16bit~24bit不等。
2)数字音乐文件为了减少网络传输的时间,数据往往是经过无损压缩,特别是高保真的无损音乐,大部分被压缩成FLAC或APE格式。
3)使用要方便,最好USB,大硬盘,SD都能支持,如果网络直接播放更好,这样就可以完全网络控制以及音乐管理了
4)更好的控制方式,如红外,网络控制将更佳。

从播放器的角度来看,其实数字音乐播放器与传统的CD机区别仅仅是数字部分(假如模拟部分都支持 24bit,192khz的情况下),即大家常说的数字转盘。

先谈一下好的CD转盘为何能达到好的效果,先从CD转盘重放的过程说起,从架构说起(仅画出音频相关主要部分,缓冲可选)。

  
如果说有一张好的CD加上好的转盘,基本上输出数据的准确度就可以达到非常高的水准,这样就可以基于时钟驱动的同步机制,也可是异步缓冲生成,同时解码合成处理芯片因为功能简单,可以做到极低的延时处理,这样出来的效果自然不在话下。

但是以上是理想情况,如果CD本身在刻录后,光盘的凹凸点不够精准(所谓的抖动),加上转盘的稳定度,精度又不高,同时时钟又一般,出来的效果自然就比较一般,所以CD转盘的效果直接依赖转盘的素质以及相关的时钟系统(当然电是以上两者的基础)。

但对于数字播放来说,首先要达到如CD一样的架构,首先要解决的就是不同频率的音乐需要不同类型时钟的问题,即44.1khz,48khz两种频率时钟供应。其实因为没有了机械部分,那就需要对合成解码芯片,电源,时钟提出了更高的要求,还要满足方便性(上述所说的各种音乐以及接口的支持)。



为此,市场上目前存在几种数字音乐播放器方案

一. 纯CPU方式

随着CPU功能越来越强大,特别是ARM CPU,Cortex A8 CPU最高可以支持32bit, 384khz的音乐播放。对于设计者来说,是非常简单,因为ARM内置IIS输出,可以直接输出到DAC或者解码器。可以做到很小的体积以及很低的成本。原理跟我们手机或电脑直接播放音乐的道理是一样的。

优点是功能强大,大硬盘,网播等都不是问题,而且软件都基本上是现成的,强大的处理能力能支持各种各样的音乐格式。

但是这样的方式存以下问题:
1) 时钟如之前分析数字音乐所描述的那样,时钟要好,ARM内部只支持一路时钟输入,而且必需经过PLL锁相环分出不同的频率,分出不同的主时钟,因为集成PLL锁相环在ARM内部作为普通消费类使用还可以,如果作为HIFI的时钟系统相距甚远,无论精度还是相噪跟外置的直接晶振相比有不止一个数量级的差距。而且无论外面的单输入时钟有多好,PLL的素质成为了瓶颈

2) 电源,因为ARM的供电说除了核心供电外,所有的处理模块都是共用同一路供电,而且全集成,EMI不说,消费类的信噪比标准是70~90db,与HIFI要求 100db以上都相差甚远。这就是说外围供电性能再高,波纹再小,最后输出的数字信号相噪还是这样。这如同说在一个很多人拥挤的房间里面,外面空气再好,里面改善也不会太大的。

3) 还有,CPU内嵌的方式,毕竟是消费类电子使用,如同说IPod的声音在消费类里面是佼佼者的话,放在HIFI里面可能还很难入门,原因是因为CPU内嵌的音频模块并非为HIFI所设计,无论缓存大小,用料,电源设计,时钟设计与HIFI的要求相差较远。

. MCU/单片机+硬核解码

这种方式是纯CPU的一个改进,用专门的硬核处理关键的解码合成过程,硬核完成时钟系统以及合成。




优点是:
1) 如果是优秀双晶振方案和优秀的硬件解码合成芯片,非单片机自带的IIS模块,数字输出质量是有一定保证的。

2) 电源可以接口MCU/单片机与解码分离,这样使得输出效果也可以不同。

不足的地方:
1) 接口受限,基本主要以SD为接口。母带音乐 24bit,192khz必需要求USB2.0高速模式才能支持,使得必需需要非常高端的MCU或者单片机。同时因为大硬盘往往采用各种各样分区模式以及NTFS文件系统,MCU或单片机支持难度非常大,这样即使有USB的话,基本上只能支持FAT32 格式的U盘。网络播放则更需要更高端以及巨量的研发工作。

2) 显示,因为普通单片机以及MCU显示屏的支持受限,只有高端的MCU或单片机才可能做出绚丽的显示效果,如IPOD使用了最新的Cortex M4才可以达到比较好的显示效果。

3) 处理能力的问题,因为大量无损音乐需要实时解压后才后进行解码合成,解压工作需要单片机或者MCU完成,特别是24bit,192khz的FLAC音乐以及APE音乐,单片机以及MCU的性能基本不能胜任。这样只能支持低码率的FLAC或者APE,同时可以支持非压缩的WAV。

. ARM+硬核解码:
                       
           

  众所周知,ARM是基于操作系统的,硬解码芯片也没有任何现成通用的方案,需要各个厂家自行设计开发,也就是说没有标准。因为音频需要极低的延时,所以必需开辟专门的实时通道为硬芯片进行解码处理。基于上述的情况,意味着所有的播放软件,以及底层通讯,操作系统内核音频相关代码都需要修改或者完全重写。这样就需要以下部分工作要解决:

1) 硬解码芯片。

2) ARM的软件从底层到界面到播放,到控制全部要重写。

3) 要通过系统开辟实时传输通道,进行数据传输。



这个工作量有多大呢?所有软件上的工作量基本不亚于开发小型

作系统,硬件上基本上是设计一个全新的音频芯片。

正因为巨大的研发量,为此Linn实际实现的时候只选择了网络播放
这个接口,通过网络进行显示与控制(意味着必需要一个终端进行
额外的显示与控制),大大减轻了控制,界面以及更多接口支持的
开发,然而就带来了使用也不方便的问题,必需要一台路由器以
及一台电脑作控制。



  为了能够让更多的音乐爱好者体验顶级数字音乐播放所带来的效果以及极佳的使用便利性,享声音响完全实现了方案三,聚集了国内多个领域顶尖的工程师,在已经有成熟自研硬芯片的基础上,再投入一年多的研发,自主突破创新(多项专利技术),完全实现方案三所有的功能,才推出高性价比Spring A100以及 专业转盘D100 PRO(专业数字转盘,明年推出)。正因为对研发要求极高以及巨大的投入,这也是国际上只有极少数HIFI厂家能够推出方案三的播放器。

这个方案就是上述两个方案的集大成者,继承了方案一和方案二所有的优点,同时避免了上述两个方案的缺点,HIFI-END厂商Linn也是基于上述架构。
CPU方式.jpg
CD方式.jpg
单片机方式.jpg
ARM+CPLD.jpg
发表于 2012-10-20 23:01 | 显示全部楼层
[s:19]
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发表于 2012-11-2 21:10 | 显示全部楼层
好凌乱啊
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发表于 2012-11-3 10:12 | 显示全部楼层
写的很专业!因为是学电子的,还是能看的明白!
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发表于 2012-11-5 20:05 | 显示全部楼层
[s:2]
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 楼主| 发表于 2012-11-7 12:21 | 显示全部楼层
不清楚的朋友,可以提问。
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发表于 2012-11-7 13:56 | 显示全部楼层
相关的架构方面,可以向我本人询问。
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发表于 2012-11-11 09:07 | 显示全部楼层
不错的讲解,我也是电子专业
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发表于 2012-11-11 20:44 | 显示全部楼层
大家有不清楚的词语,可以一 一解释 [s:5]
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