Процессор звука для авто своими руками
Как сделать процессорный звук в Жигулях
Обычно люди идут в магазин автозвука и покупают компоненты. Я же сначала спаял цифровой аудиопроцессор, а компоненты поставил какие есть.
Самая большая проблема автозвука-установка динамиков в самых неподходящих местах: динамик который играет прямо в ногу, сабвуфер массирует спину, влияние формы салона. Пока звук дойдет до ушей он будет уже не тот. Именно поэтому я начал с DSP-процессора.
Оглавление:
0. Термины
1. Начало
Вдохновился разработками фирмы miniDSP и захотел создать подобное для машины. Сердце процессора чип от Analog Devices ADAU1701
Это готовый DSP процессор для аудио со встроенным 2 канальным АЦП и 4 канальным ЦАП. Практически все используют его в режиме 2х4. Но у меня самая обычная для авто система: 2 мидбаса, 2 пищалки, сабвуфер. Нужно минимум 5 каналов.
Почитав описание выяснилось, что чип поддерживает подключение внешнего ЦАП по I2S шине.
Спаял все на макетке и проверил:
Чип действительно выдает все сигналы для работы цапа и поддерживает дополнительные каналы.
Была разработана и спаяна плата:
Подобран корпус и сделаны передние и задние панельки:
2. Что внутри
Схема главного блока:
RC_IN1 и RC_IN2 это входы для подключения крутилки/кнопки. Защищены резисторами и диодами. Конденсаторы для защиты от дребезга контактов. Транзистор для внутреннего формирователя напряжения ядра 1,8В. Инвертор с триггером Шмитта для вывода тактовой частоты(masterclock) на ЦАП. Повторитель на ОУ для средней точки аналоговых частей устройства.
Остальная обвеска по даташиту для работы внутренних частей микросхемы.
Входы принимают сигнал с тюльпанов либо с выходов на динамики (вдруг перекочует в машину со штатной магнитолой). Уровни взяты стандартные + небольшой запас, чтобы не получить клиппинг, но и не регулировать в железе. Если что усиление можно сделать в самом процессоре.
Выходной фильтр 2 порядка по даташиту:
ЦАП с точно таким же фильтром:
3. Установка
Магнитола: Alpine CDE-110
Миды: 16см 35гдн-62 в покупных подиумах внизу двери. Динамики так себе
Пищалки: 2,5см Асалаб НЕО-25 в самодельных подиумах на верхней накладке двери, развернуты на водителя. Хорошие динамики с алюмокерамическим куполом.
Сабвуфер: корпусной с фазоинвертором на 8” динамике от АСАлаб
Все динамики были в наличии, поэтому система вышла такая
Усилки: 1 готовый ACV 4 канальник (чёрный справа) и 1 самодельный для пищалок (снизу, серебристый):
4. Настройка
Настройка ведется через утилиту SigmaStudio:
Она позволяет как угодно тасовать блоки обработки, входы, выходы. Все настройки применяются “на лету”. Но после перезагрузки чип загружается с EEPROM, поэтому настройки сами не сохраняются. Нужно принудительно прошить EEPROM в этой же утилите.
Во первых были настроены все уровни:
На этом настройка отверткой закончена. Дальше все только с ноута в сигма студии.
4.1 Настройка задержек
Рулеткой замерил расстояние до динамиков. Затем пересчитывал так:
Таким образом получено расстояние на которое нужно “отодвинуть” динамик.
Задержки задавались в семплах. Т.к. Частота дискретизации была 48000, то формула такая
Задержка=48000*расстояние в метрах/340 метров в сек
Максимальная задержка получается для левой пищалки. Минимальная для правого мида и сабвуфера. Так получилось что сабвуфер и правый мид оказались на одном расстоянии.
Значение Max резервирует нужное количество памяти, чтобы регулировать на лету без компиляции.
Впоследствии при прослушивании во все каналы была добавлена задержка в 100 семплов чтобы “придвинуть” сабвуфер. Это настраивалось на слух. Очень сложно уловить что сабвуфер “придвинулся” как надо. Но если задержку убрать, то слышно что сабвуфер играет как бы отдельно сзади.
4.2 Настройка АЧХ
Далее будет много графиков АЧХ. Сразу уточню почему некоторые красивые, а некоторые кривые. Те АЧХ, которые сняты близко к динамику на расстоянии 5 сантиметров очень красивые. Но при настройке нужно использовать АЧХ в точке прослушивания. Они складываются с отраженным звуком от поверхностей салона. В некоторых местах образуются узкие и сильные провалы от стоячих волн. Это нормально. Если измерить то же самое в помещении с любой крутой системой, то будут такие же кривульки. При настройке АЧХ самое важное выровнять тональный баланс, чтобы была горизонтальная линия без наклонов, сильных горбов и пиков. Узкие провалы не так важны. Их нельзя исправить закачивая больше энергии. Можно только сделать глухую комнату. В машине это просто невозможно.
Кроме того использован некалиброванный микрофон и некалиброванный вход звуковухи. Он дает хорошие результаты до 8-10 килогерц. Дальше его показаниям не стоит верить.
Вот АЧХ из даташита микрофона:
Сначала настраиваем кроссовер. Частоты выбраны стандартные: 80 герц и 3кГц. Если с нижней частотой еще можно поиграться, то частоту среза пищалки сразу следует выбирать правильно.
На данных пищалках частота резонанса 1,4кГц. По паспорту они играют от 3 кГц. Ниже делать опасно. Выше нежелательно-сцена опустится к мидам. Кроме того левый мид не очень хорошо играет 3кГц т.к. находится под большим углом к водителю и закрывается ногой. Угловая АЧХ начинает спадать уже с 2-2,5 кгц.
АЧХ в точке прослушивания:
Для примера красивая АЧХ вблизи:
Кроссовер брался 4 порядка Линквиц-Райли (24дБ/октава).
АЧХ мида с фильтром 3 кГц:
После подстройки уровней пищалок относительно мидов появился провал на АЧХ на стыке полос:
Поэтому сигнал пищалок был инвертирован. АЧХ выровнялось. На графике не так заметно. На слух очень заметна неслитность звука, когда перепутана фаза.
Окно программы обещает провалы, но реальная АЧХ прямая. Это происходит потому, что динамики находятся в разных точках и звук у них складывается совсем не так, как на идеальном графике в программе:
Самыми проблемными по настройке оказались миды. Левый мид не играл нормально 3 кГц из-за того что не развернут и играет в ногу. Пришлось вытаскивать параметриком. На обоих мидах в точке прослушивания появился пик на 700Гц. Причем если измерять вплотную к динамику пика почти нет. Скорее всего это особенность салона. Исправлено параметриком.
У обоих мидов спад с 400 герц скорее всего из-за негерметичности дверей. Исправлено фильтром Low Shelf.
Для каждого динамика подобраны свои параметры фильтров.
АЧХ мида до коррекции:
АЧХ мида после коррекции:
Остальные неравномерности нет смысла править. Они меняются если микрофон сместить на несколько сантиметров.
При замере сабвуфера выявился существенный подъем в области 50 Гц не зависящий от положения микрофона:
АЧХ пищалок не настраивалась.Она получилась ровная за счет того, что сделаны гладкие подиумы и пищалки развернуты прямо в ухо.
Все динамики были подстроены между собой по уровню. Уровень левого канала немного убавлен, чтобы казалось что сидишь между колонками. Самый хороший эффект дает с задержками.
После того как настроены все динамики по отдельности, включаем все каналы и вносим небольшие правки в финальную АЧХ.
Подьем на суббасе в машине-необходимость. Иначе во время движения дорожный шум забивает бас. У многих качественных автомобильных систем похожий подъем.
Провал в районе 3 кГц-не совсем удалось скорректировать особенность установки мидбаса. Не все можно исправить процессором.
Выше 8-10 кГц-особенность микрофона и входа звуковухи. Дает похожий результат и на других колонках
Финальный результат прошит в EEPROM. Чтобы прошивка заработала нужно перезагрузиться: отключить USB, выключить и включить магнитолу.
5. Прослушивание
Можно приступить к прослушиванию. Проводилось со смартфона с внешним USB ЦАП и записями во flac.
Изначально эта система использовалась с фильтром из одного конденсатора на пищалке и фильтром в усилителе на сабвуфер. Все крутилось отверткой на слух. Вобщем как у всех.
После настройки звук изменился. Даже не так: ИЗМЕНИИИИИЛСЯ!1.
Сцена поднялась, тоесть звук перестал идти из ног и непонятно откуда. А переместился вперед. Все инструменты как живые. Пищалки играют так детально и слитно с мидбасами, как не играли никогда.
Такое ощущение что выкинули все эти мутно звучащие динамики и поставили новые. Удивительно что простые дешевые динамики могут ТАК играть. Сабвуфер перестал бубнеть. Не утапливает все басом. Звучит монолитно с фронтом. Иногда думаешь: где саб? Почему не звучит? А если выключить, то сразу слышно.
После прослушивания была еще одна доработка. На АЧХ сабвуфера заметно, что несмотря на хороший фильтр он играет достаточно далеко за свой диапазон. На музыке это сказалось в том, что его звук как бы затягивает удары и низкие ноты которые и так отыгрываются передними динамиками. В итоге был добавлен еще 1 фильтр выше 100 герц. И этот недостаток пропал.
6. Итоги, достоинства, недостатки
Вывод: не динамики красят звук. Динамики просто должны быть достаточно качественными и нормально установленными. Но самое главное: НАСТРОЙКА. С готовыми кроссоверами без настройки вы никогда не получите идеальный результат. Можно мучаться и менять систему постоянно или настроить 1 раз и радоваться звуку.
Вчера проехался на пассажирском: звук вроде тот же, но уже какой-то простоватый, нет глубины. В безпроцессорной системе этот недостаток тоже есть, но там нет такой большой разницы. Что у водителя, что у пассажира “сцена” хуже, чем на водительском месте системы с процессором.
Самое главное достоинство: Очень приятно настраивать звук с ноута и микрофона. Все изменения не требуют крутить отверткой, паять детали, менять компоненты.
Можно легко исправить любые мелочи, которые в обычной системе потребуют существенной переделки.
Из планов на будущее: улучшить установку мидов. Сейчас двери и технологические отверстия просто проклеены виброй STP. А покупные подиумы прикручены на тонкую обшивку двери.
Провести более тонкую настройку АЧХ и задержек.
7. БОНУС
Кто внимательно читал “ЦАП PCM1754 2 канала”. Это значит что процессор получился 6 канальный! Чтобы получить шестой канал достаточно припаять еще один тюльпан к выходу ЦАПа.
Данная статья написана с целью самозанятости, потому что в данный момент нахожусь в поиске любых предложений для сотрудничества.
Интересна ли вам тема автозвука?
DSP-процессор почти своими руками
Хочется верить, что это когда-нибудь будет часть 1. Но пока она единственная.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Все, что тут описано, делалось на свой страх и риск. Приведенные данные по техническим решениям конкретных производителей носят справочный характер и не являются попыткой украсть чужие идеи.
Долгое время я сопротивлялся самой идее использования цифровой обработки звука. Объективных причин этому было несколько:
— основным увлечением для меня является домашнее аудио, где проблемы с АЧХ и ФЧХ выражены значительно меньше, в силу возможности оптимального расположения акустики и слушателя;
— я искренне верю, что лучший компонент в звуковом тракте — тот, который отсутствует;
— я практически ничего не понимаю в цифровой схемотехнике, только на уровне чтения даташитов;
— в моей машине слишком простая конфигурация, и вываливать деньги за многоканальный процессор душила жаба.
Победить аналоговыми средствами проблемы автозвука в машине, при этом сохранив ее функциональность, как мне кажется, нельзя. Невозможно поставить все динамики повыше, на одинаковом расстоянии от слушателя и соосно. А значит даже в идеальной инсталляции неизбежны (может быть и незаметные) компромиссы.
Да и потом, я могу понять, когда дома у меня без единого транзистора в тракте сигнал с иглы звукоснимателя идет до акустики. В машине же все исходно цифровое, и обработку сигнала куда рациональнее выполнить на уровне цифры, а аналоговыми устройствами только довести до требуемой громкости. Потому как пассивные и активные кроссоверы и, тем более, эквалайзеры, в данном случае как раз становятся «отягчающими обстоятельствами», теми элементами, которых могло бы и не быть.
Так что я все-таки сдался. Но не полностью. Но все-таки.
Итак, что мы имеем на данный момент? У меня чистое стерео, в задних дверях ничего нет. С оптической шины MOST коробочка Триома берет сигнал и превращает его в 2 пары каналов RCA. Одна пара идет на аналоговый эквалайзер (да-да, итакой динозавр у меня есть), где делится на звено СЧ+ВЧ и сабвуфер. Вторая пара — напрямую в усилитель, где уже его встроенным кроссовером подрезается и отвечает за НЧ. Короче это мрак, а не схема.
Вот я и решил попробовать после коробочки Триома поставить miniDSP 2х4, в которой провести обработку сигнала и разрезать на две полосы (НЧ и СЧ+ВЧ). А со второго выхода триомы тогда снять сигнал на отдельный усилитель сабвуфера.
Только вот очень хотелось цифровые устройства объединить под общей крышей…
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ УЧАСТНИКОВ
Адаптер MOST-RCA 2.0 от Триома
Для оптической шины MOST автомобиля «притворяется» штатным усилителем. На выход дает две пары каналов — передние и задние (еще умеет и сабвуфер, но только если это поддерживает ГУ, то есть в Premium sound). Сохраняет сигнал парктроника и все прочее. Кроме того, эмулирует сигнал Remote для управления включением прочих устройств (гальванической развязки не имеет).
С шиной MOST общается через OS8104.
Внутри стоит звуковой процессор STA309A (24bit) и ЦАП PCM1680, даташиты в сети легко находятся.
Перед выходами — ОУ 924I, две штуки.
Устройство куплено уже давно, и служит верой и правдой.
DSP-процессор miniDSP 2х4 kit
Об этой поделке сказано уже очень много, вплоть до обзоров в журнале АЗ. Напрямую из Гонконга купить не получилось — сначала вроде даже деньги взяли, но потом извинились и отказались отправлять из-за CoVid. Пришлось заказывать из Голландии через ebay. По деньгам вышло то же самое.
Соответственно, в устройстве одна пара аналоговых входов и две пары выходов. Стоит DSP-процессор ADAU1801, в котором все чудеса и содержатся.
Кроме того, я решил дополнительно приобрести автомобильный блок питания к нему…
Блок питания miniDSP Isolator
Сама miniDSP 2х4 не привередничает в отношении питания: просит на вход от 5 до 24В. Однако на борту нет гальванической развязки. Isolator позволяет гальванически отвязать плату от бортовой сети, что для цифровых устройств принципиально важно. Кроме того, он формирует сигнал Remote, включающий усилители с задержкой относительно процессора, а выключающий, наоборот, до процессора. Таким образом можно исключить щелчки в акустике.
Он основан на DC-DC преобразователе Mornsun WRB1212S-3WR2 (выходной ток 250 мА), и схема крайне примитивная — большую часть платы занимает как раз схема задержки включения Remote.
Для экономии времени его я закупил в магнитоле — у голландцев не было в наличии. Получилось немного дороже, зато сразу.
Можно было бы, конечно, на алишке подобрать что-то — но уж больно качество нестабильное там, устройства дорогие, и рисковать не хочется.
АРХИТЕКТУРА. КАК НАДО БЫЛО БЫ СДЕЛАТЬ
Если бы я был молодцом, все знал и умел, то сделал бы так.
С платы Триома я снял бы цифровой сигнал в формате I2S и пустил на ДВЕ платы miniDSP 2х4. Сами платы для этого пришлось бы переводить в режим Slave, такая опция производителем предусмотрена. Кроме того, на все устройства я бы изготовил отдельную гальванически развязанную плату блока питания (2х150мА для процессоров и еще около 300мА на триому).
В результате я бы получил процессор на 8 каналов, подключаемый к шине MOST, без лишних АЦП+ЦАП внутри.
Но я слишком плохо ориентируюсь в цифровой схемотехнике, поэтому
АРХИТЕКТУРА. ЧТО СДЕЛАНО НА САМОМ ДЕЛЕ
С платы триома выход ЦАП одной пары каналов внутри корпуса идет на вход АЦП miniDSP 2х4. Вторая пара каналов с триома идет сразу на выход — она подает сигнал на усилитель сабвуфера.
Цепи стабилизации у триома и 2х4 раздельные: 2х4 питается от Isolator, а для триомы я собрал отдельный блок на преобразователе Aimtec AM6Q-1212SZ (максимальный ток 500 мА). Дополнил элементарным фильтром: на входе предохранитель, стабилитрон, катушка 470 мГн и конденсатор 220 мкФ. На выходе — конденсатор 1 мкФ, катушка 220 мГн, конденсатор 220 мкФ. В принципе, с этого же блока питания можно было бы запитать и 2х4, но пока решил не рисковать.
Remote организован замысловато. Сигнал генерируется Триома, так как она связана с ГУ. Далее он идет на вход Remote in на Isolator miniDSP. А уже с его выхода Remote Out идет на усилители. То есть как только интерфейс ловит включение аудиосистемы, он подает сигнал на процессор, а тот, уже с задержкой — на усилители.
Сначала все компоненты раскидал на столе и прикинул размер корпуса. Естественно, нужно было предусмотреть возможное развитие идеи — место для дополнительного блока питания и второй 2х4.
С корпусом пришлось изрядно поковыряться, но получилось вполне пристойно и удобно, места там полно — можно «бутербродом» поставить вторую 2х4, увеличить блок питания… Правда, облажался с первого раза с отверстиями под RCA, пришлось пересверливать. Ну ничего, будет вентиляция.
Сразу вынес на панель два разъема USB для программирования каждой из 2х4, и отверстий насверлил с запасом.
В общем, это не электроника, а электротехника — подпаял несколько проводов, разместил платы в корпусе, перенес разъемы, вот и весь «DIY». Ну и блок питания тоже собрал, простенький, на макетной плате, чтобы не париться с дорожками и иметь потом пространство для маневра.
После сборки нужно обязательно проверить, что нигде минус и плюс не коротят, а так же нет связи между минусом питания (машины) и минусом плат и корпуса. В miniDSP не дураки работают: у Isolator все монтажные отверстия изолированы от общего провода. Но в 2х4 и Триома монтажные отверстия, минус питания и все разъемы звонятся вместе. Значит корпус устройства нельзя соединять с массой — у меня это вполне возможно, устройство монтируется на деревянную панель.
Убедившись, что в самом устройстве отвалиться ничего не должно, подключил его к питанию при отключенных разъемах Триома и miniDSP. Проверил, что на выходах блоков питания положенные 12В. Далее подключил Триому, проверил, что появился Remote. Только после этого можно включать усилители.
Как ни странно, заработало все сразу — я предварительно прописал в miniDSP примерные настройки, частоты среза и задержки, так что при включении зазвучало вполне пристойно. Я выбрал плагин 2×4 Adnvanced как наиболее универсальный. Тем не менее, еще нужно поработать и настроить все как положено.
Я попробовал и решил локальную задачу: избавился от аналогового эквалайзера, включил усилитель на полную полосу усиления (то есть его кроссоверы тоже убрал), получил возможность удобной настройки задержки и АЧХ. В качестве звучания выигрыш не такой большой, как мог бы быть, так как внутри этого самодельного процессора остался лишний ЦАП+АЦП переход.
Очень важный момент — вся настройка системы теперь может осуществляться с ноутбука в реальном времени по USB-кабелю.
Есть и косяк — слышен еле заметный высокочастотный шум. От оборотов не зависит. От ксенона тоже. При выключении аудиосистемы кнопкой в салоне не пропадает. По всей видимости, проблема в том, что разъемы в усилителе замкнуты на корпус, и через линейный провод все это «возвращается» в процессор. Можно попробовать поковыряться с распайкой линейных кабелей, поэкспериментирую — все входы и выходы защищены разделительными конденсаторами, значит смело можно по земле через сигнальный кабель устройства не соединять. Вообще проводка требует внимания, давно хотел все красиво упаковать, вот и разберусь.
А планы красивые, конечно:
— подружить miniDSP и Триома на цифровом уровне;
— докупить вторую miniDSP и поселить в том же корпусе;
— сделать общий блок питания с гальванической развязкой для всех трех плат в том же корпусе;
— …
Очень боюсь положить оба устройства. Разработчик miniDSP открыто призывает использовать плату в самоделках с шиной I2S, приложены необходимые базовые сведения. Чип STA309A, который в Триома, согласно даташита, эту шину так же поддерживает, и битность у них совпадает. Но вопрос с настройками самой шины — это осуществляется через перепрошивку процессора, насколько я понимаю, а тут я очень сильно плаваю.
Насколько я понимаю, мне необходимо по шине I2C «поправить» в прошивке чипа STA309A те части (указанные в даташите), которые отвечают за формат вывода сигнала по шине I2S таким образом, чтобы он совпал с требованиями miniDSP. При этом, если плат miniDSP будет две, то они должны быть в режиме Slave, а Master будет Триома, соответственно и клок пойдет с нее. Но это все теория, поправьте меня!
Если вдруг найдется добрый человек, который сможет разрешить мои сомнения — буду очень благодарен. На электронных форумах народ часто попадается недоброжелательный к новичкам и дилетантам.
В общем, помогите кто чем может. По-английски читаю свободно, буду рад любым ссылкам.
Можно ругать, критика приветствуется 🙂
Вся игрушка вышла совсем не дешевой.
— miniDSP 2х4 — 9500 с доставкой на ebay;
— miniDSP Isolator — 2700 в магнитоле;
— корпус и детали в Чип и Дип — 5400 (самое дорогое — корпус и стабилизатор AM6Q);
— Триома приобреталась очень давно, но сейчас стоит 11000;
ИТОГО — 28600. Да, за эти деньги можно было купить готовое изделие. Но, во-первых, Триома у меня уже была, во-вторых, процессоров под MOST мне что-то не попадалось, а покупать новую Триому под Toslink и процессор это перебор…
Ну а потом — удовольствие от сборки никто не отменял! Я уже давно не паял ничего, а тут лето, уютная маленькая мастерская, где никто не трогает до глубокой ночи… РАЙ!