Архитектура MP3-плееров

Евгений Рудометов, IT News

В мире высоких технологий аудиоплееры занимают важную позицию. Их производство, осуществляемое большим числом компаний, соизмеримо с выпуском компьютеров и составляет десятки миллионов устройств в год, принося разработчикам, производителям и продавцам огромные доходы и стимулируя рост соответствующего сектора рынка. Широта функциональных возможностей аудиоплееров, их малые габариты, вес и приемлемые цены при высокой технологичности  этих устройств обеспечивают им высокую популярность, что,  к слову сказать, способствует процветанию многих фирм. В настоящее время на рынке существует обширный модельный ряд аудиоаппаратов разных классов, возможностей и, соответственно, разных ценовых категорий.

Принцип работы

По типу используемых носителей памяти, обеспечивающих хранение аудиоинформации, цифровые MP3-плееры можно условно разделить на две группы. К первой относятся те из них, что базируются на основе дисковых накопителей на жестких магнитных дисках формата 2,5, 1,8 и 1 дюйм. При этом наибольшие темпы развития демонстрируют компактные модели с 1-дюймовыми дисками. Вторую группу составляют устройства на основе твердотельной памяти, представленной микросхемами флэш-памяти.

Представители каждой группы обладают своими достоинствами. Первые характеризуются высокой емкостью памяти и низкой стоимостью хранения единицы информации. Модели второй – меньшими по сравнению с аналогами, созданными на основе жестких магнитных дисков, размерами, весом и большим временем работы от автономного источника электропитания. Оценивая функциональные возможности обеих групп, необходимо помнить, что, несмотря на отличия в типах носителей памяти, работа всех моделей основана на сходных принципах.

Рис. 1

Принципиальная схема работы цифровых аудиоплееров, созданных на основе накопителей на жестких магнитных дисках (HDD) и микросхемах флэш-памяти, представлена на рис.1. Согласно этой схеме информация, поступающая в аудиоплеер в аналоговой форме, подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), с помощью которого аналоговый сигнал в режиме реального времени переводится в цифровую форму (обычно 16 бит), после чего записывается в модуль памяти. Последний, как отмечено выше, может быть представлен либо накопителем на жестких магнитных дисках, либо микросхемами флэш-памяти. Кроме аналоговой формы, аудиоинформация может быть введена в аудиоплеер в цифровом виде из компьютера посредством стандартных интерфейсов, например USB.

Конечно, для управления встроенным блоком памяти используются соответствующие электронные схемы. Именно они осуществляют все необходимые преобразования, связанные со сжатием информации. Записанная информация хранится практически неограниченное время, независимо от состояния батарей, что достигается использованием в устройстве энергонезависимой памяти, к которой относятся оба типа указанных носителей.

В цикле воспроизведения записанные в цифровом виде аудиоданные с помощью контроллеров управления памятью считываются с используемого носителя. Они поступают на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), где из цифровой формы представления осуществляется восстановление аналогового сигнала. Далее этот сигнал поступает на последующие электронные каскады, где усиливается до требуемого уровня, достаточного для воспроизведения через головные телефоны или встроенный динамик. Следует подчеркнуть, что класс аудиоплеера определяется, кроме реализованных функциональных возможностей, качеством восстановленного сигнала, который должен быть максимально идентичен исходному.

Кое-что о мифах

Рассуждая о возможностях современных моделей цифровых аудиоплееров, многие потенциальные пользователи отмечают прежде всего принципиальные отличия в качестве обработки информации в устройствах, созданных на разных типах памяти.  Внести ясность в данный вопрос поможет анализ приведенной на рис. 1 схемы. Из  него следует, что качество определяется не типом применяемой памяти, а реализованными архитектурой и алгоритмами обработки информации. Однако малые размеры плееров нередко заставляют усомниться в обоснованности цен, по которым их предлагает рынок. Действительно, по габаритам и весу многие изделия скорее напоминают детские игрушки, чем серьезные высокотехнологичные устройства. Кроме того, анализируя перспективность тех или иных моделей аудиоплееров, покупатели учитывают рост функциональных возможностей других устройств – ведь КПК, смартфоны, мобильные телефоны и цифровые камеры нередко также обладают встроенными функциями обработки аудиоданных. Определенную сумятицу в сознание потенциальных пользователей мобильных компьютеров вносят маркетинговые программы фирм, производящих электронные компоненты, включая специализированные процессоры обработки аудиоинформации. В стремлении наглядно продемонстрировать совершенство дизайна и функциональные возможности процессоров  представители этих фирм часто выступают с красочными презентациями, в ходе которых превозносят возможности своих компонентов и достигнутые результаты по совершенствованию полупроводниковых технологий и внутренней структуры микросхем. Нередко эти микросхемы содержат не только процессоры, но и память, и элементы интерфейсов, что позволяет говорить о таких микросхемах как о миниатюрных компьютерах. Однако эти микросхемы существенно дешевле содержащих их изделий. При этом из поля зрения потенциального пользователя выпадает множество важнейших нюансов, связанных с проектированием законченных изделий.

Особенности внутреннего устройства плеера

Рис. 2

В качестве примера малогабаритных цифровых аудиоплееров можно привести модель Creative Rhomba NX. Она помещается в руке и управляется с помощью миниатюрных клавиш и встроенного графического дисплея,  снабжена функциями работы с FM-радио, обеспечивает воспроизведение и запись. Объем памяти – 256 Мбайт, поддерживается интерфейс USB 2.0. Питание осуществляется от двух стандартных батареек AAA, которых хватает на 14 часов непрерывного воспроизведения (согласно данным производителя). Модель позволяет осуществлять запись с одновременным преобразованием в MP3 любого линейного входящего сигнала, а также с FM-радио и микрофона.

Рис. 3

Структура модели Rhomba NX приведена на рис. 3. А на рис. 4–6 представлены фото конструкции с элементами архитектуры этого устройства. Основой аудиоплеера являются процессор Philips SAA7750 и блок памяти. Под управлением ядра процессора информация поступает в аналоговой форме на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который является частью микросхемы процессора Philips SAA7750, приведенной на рис. 5. Прежде чем поступить на АЦП, для обеспечения корректности преобразования аналоговый сигнал подвергается фильтрации, в результате чего из него удаляются верхние составляющие, ограниченные частотой сэмплирования. После преобразования сигнал в цифровой форме записывается в модуль памяти, представленный микросхемами SRAM и флэш-памяти. Для полноты картины необходимо уточнить, что аналоговый сигнал поступает с микрофона или FM-радио. Аудиоинформация может быть введена в аудиоплеер и в цифровой форме – с компьютера посредством интерфейса USB, реализованного на микросхеме Phison PS2002. Дальнейшая процедура обработки аудиоданных происходит согласно схеме, описанной в разделе "Принцип работы".

Рис. 4

На рис. 4–6 приведены фотофрагменты конструкции аудиоплеера, иллюстрирующие его устройство. Здесь же можно видеть основные элементы архитектуры. Так, например, на плате плеера, представленной на рис. 4, слева от ЖК-дисплея расположена быстродействующая микросхема SRAM ISSI IS61LV12816 – 128K x 16 HIGH-SPEED CMOS STATIC RAM емкостью 2 Мбит, обеспечивающая высокую скорость обработки информации. Она дополняет микросхему флэш-памяти, расположенную под ЖК-дисплеем. Кстати, ЖК-дисплей требует сравнительно высоких уровней напряжения, которые не в состоянии обеспечить батареи питания. Восполнить дефицит призвана микросхема преобразователя питания ELD-4410. Остальные упомянутые микросхемы расположены с обратной стороны платы аудиоплеера (рис. 5).

Рис. 5

Слева от микросхемы Phison PS2002 представлен разъем USB 2.0. Выше и ниже этой микросхемы – многофункциональные переключатели (разобранные), с помощью которых осуществляется ручное управление аудиоплеером. Справа от микросхем Phison PS2002 и Philips SAA7750 на плате расположены аналоговые разъемы головных телефонов и линейного входа. Между ними видны спиралевидные контакты батарей питания, рядом с которыми вертикально расположена еще одна плата, содержащая микросхему FM-радиоприемника Philips TEA5767 (она показана на рис. 6).

Рис. 6

Вместо заключения

Конечно, приведенной моделью все многообразие аудиоплеееров не исчерпывается, однако ее можно рассматривать в качестве типичного представителя данного класса устройств. Ведь по сути отличие других MP3-плееров заключается именно в их конструктивных особенностях, дизайне, весе и функциональных возможностях, но отнюдь не в основных принципах работы.

В статье использованы открытые материалы компании Creative. Аудиоплееры предоставлены компанией EAST SIDE Consulting.