Paradigmenwechsel bei Digital-Audio

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Die Einführung des Edison-Walzenphonographen vor 130 Jahren markierte den Beginn, Unterhaltung über physikalische Medien weiterverbreiten zu können. Diese Zeiten sind lange vorbei, und wo immer heute ein Netzwerk vorhanden ist, wird die tragbare Verbreitung und die Wiedergabe von Musik für Anwender und Anbieter so einfach, dass es für Entwickler von Consumer-Audio-Produkten eher zur Belastung wird. Sie sehen sich einem völlig neuen Grad an Komplexität konfrontiert und müssen sich auf ihre Kernkompetenzen und differenzierenden Leistungsmerkmale konzentrieren.

Die Blue-ray Disc markiert wohl das Ende des Medientransports per Boot, Flugzeug oder Auto. Man könnte sich fragen, warum es so lange gedauert hat. Die Verteilung von Medien, wie bei allen Daten, verschiebt sich schnell auf die weltweite Netzwerkinfrastruktur. Digital Audio erfordert weniger Bandbreite und hat einen Vorsprung. Laut der Consumer Electronics Association of America sinkt der Verkauf von CD-Playern in den USA bis zum Jahr 2014 um 60% auf 65.000 Einheiten, während tragbare Media-Player bis dahin eine Stückzahl von etwa 330 Millionen erreichen.

Die Zeiten ändern sich

Die Mehrheit der Audio-Inhalte wird über das Internet an den Endverbraucher geliefert. Musik wird dabei mittels Online-Abonnements über On-Demand-Dienste wie Pandora in den USA oder Spotify in Europa gestreamt. Alternativ lässt sich Musik in Online-Musikläden wie iTunes kaufen und in komprimierter Form lokal auf dem Rechner oder einem tragbaren Netzwerk-Player speichern.

Dieser Paradigmenwechsel bei der Audionutzung stellt für Entwickler von zukünftigen Audiogeräten eine Herausforderung dar. Die Geräte müssen auch weiterhin das Signal zur Audiowiedergabe verstärken und verarbeiten – sie müssen aber auch an eine Audioquelle anschließbar sein – entweder über eine kabelgebundene oder eine drahtlose Verbindung. Und oft müssen die Daten während der Übertragung auch dekomprimiert werden.

Da die Signalquelle außerhalb des Systems liegt, nutzen Entwickler die Möglichkeit, die Anbindung, Lautsprecher und Verstärker im gleichen Gehäuse zu vereinen. Bei diesem neuen Szenario beinhaltet der Source-to-Sound-Signalpfad folgende Schritte:

• 1. Datenanbindung (Ethernet, USB Host und/oder Device, SDIO, WiFi, Bluetooth)
• 2. Dekomprimierung (MP3, AAC, WMA)
• 3. Digitale Signalverarbeitung (Equalizer, Lautstärkeregelung, Raumkorrektur)
• 4. Digital-zu-Analog-Wandlung
• 5. Verstärkung
• 6. Akustische Wiedergabe

In den vergangenen Jahren entstanden in der Elektronikindustrie immer mehr Unternehmen, die hochleistungsfähige und kosteneffiziente Datenanbindungslösungen anbieten (Punkt 1 in der obigen Aufzählung). Ebenso gibt es eine Vielzahl von Firmen, die sich den Punkten 3 und 4 widmen. Seit der Einführung der CD (Compact Disc) in den 1980er Jahren, wurde Punkt 4 zum Allgemeingut bei allen Audioherstellern. Unternehmen, die Verstärker (5) und Lautsprecher (6) fertigen, sind sogar noch länger auf dem Markt. Dabei gilt: je weiter unten man sich im Signalpfad befindet, umso ausgereifter wird die Technologie.

Man kann nicht alles können

Hier liegt der Kern des Problems, der durch das heutige Audioverhalten entsteht. Nur wenige Unternehmen sind Experten für Computer-Netzwerke, Wireless-Basisband-Verarbeitung, HF, Embedded-Datenverarbeitung, digitale Signalverarbeitung, analoge Signalverarbeitung und Filterung, Verstärker- und Stromversorgungsdesign und Akustik – alles Bereiche, für die Know-how notwendig ist, wenn sie zusammen in einem Gehäuse kombiniert werden sollen.

Ein Hersteller von Gitarrenverstärkern, der beschließt einen USB-Anschluss zu integrieren, damit der Gitarrist zusammen mit seinen Lieblings-MP3-Songs auf seinem USB-Stick jammen kann, muss wohl feststellen, dass dafür Entwickler mit entsprechender Erfahrung nötig sind. Dies ist auch der Fall bei einem Hersteller von Lautsprechern, der beschließt seine Kernkompetenz in der Akustik mit einem Verstärker und iPod-Docking-Funktion zu vereinen.

Egal welchen Teil des Signalpfades Unternehmen als ihre Kernkompetenz bezeichnen, sie werden die Komplexität bei Digital Audio wahrscheinlich als hohe Herausforderung sehen und nach einer kosteneffizienten, fertigen Audio-Applikationsplattform suchen, die folgende Funktionen bietet:

• Vielseitigkeit
• hochwertige Performance
• Designkomfort

Bild 1: Die Komponenten des ICE-Power-Projekts Mobile Sound 3.Bilder: Bang & Olufsen/Atmel

In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Mikrocontrollern in den Audiomarkt eingeführt, so auch Atmels 32-Bit-MCU AVR32UC3. Ihr Einsatz findet vor allem in Docking-Stationen für Smartphones und MP3-Player, in USB-Medien zum Streaming von Audiodaten und in zahlreichen anderen Audioanwendungen statt. Die Hauptgründe für diese Wahl sind das attraktive Preis-Leistungsverhältnis einer MCU-Architektur, Peripherie-Support wie USB-Host/Device und I2S sowie die Verfügbarkeit umfassender Software-Frameworks, einschließlich USB-Treiber und Protokoll-Stacks, Audio-Player-API und Dekodier-Algorithmen wie AAC, MP3 und WMA.

Referenzdesign hilft weiter

Eine aktuelle Zusammenarbeit zwischen Atmel und dem dänischen Unternehmen Bang & Olufsen ICEpower, einem führenden Anbieter von Klasse-D-Verstärkern, führte zu einem Referenzdesign, das Entwicklern die Arbeit im digitalen Audiobereich wesentlich erleichtert (Bilder 1 und 2).

Bild 2: Mechanische Auslegung, zu erkennen ist der kompakte Aufbau des Designs.

Durch die Kombination der jeweiligen Technologien beider Unternehmen ergab sich eine fertige Lösung, die als Basis für eine Vielzahl von Anwendungen – von kostengünstig bis hochleistungsfähig, vom Radiowecker bis hin zu Highend-Audiosystemen dient.

Um Skalierbarkeit über ein breites Produktspektrum hinweg zu bieten, unterstützt das Referenzdesign nahezu jede Eingangsquelle und Wiedergabe-Option. Die MCU bietet Schnittstellen zu SDIO, USB Host und Device (Bild 3). Über einen SPI-Port lässt sich das Frontend des Designs an Funkschnittstellen wie WiFi, Bluetooth oder an Ethernet anschließen, also an nahezu jede denkbare Signalquelle. Damit lassen sich komprimierte MP3-, AAC- und WMA-Audiodaten zur Weiterverarbeitung aufbereiten.

Bild 3: Blockschaltbild des ICE-Projektes.

Das Single-Chip-Audiosystem MS3 von Bang & Olufsen enthält eine konfigurierbare DSP-Engine mit fester Funktion und einen Klasse-D-Verstärker, der 2 x 1,5 W Ausgangsleistung bereitstellt. Dies reicht zur direkten Ansteuerung kleiner Lautsprecher in Laptops, Mobiltelefonen, Navigationssystemen oder sogar kleinen iPod-Dockingstationen aus.

MS3 bietet auch einen Kopfhörer-Verstärker und lässt sich als hochqualitativer Audio-DAC zur Ansteuerung eines Leistungsverstärkers für größere Lautsprecher verwenden. Das Design lässt sich direkt an die ASX-Serie der Klasse-D-Leistungsverstärker von Bang & Olufsen ICEpower anschließen, die 25 bis 1000 W Audioleistung pro Kanal bieten.

Schlussbemerkung

Für Kunden bietet das Referenzdesign vor allem die Möglichkeit, das Design einfach anzupassen, sodass es der Kernbestandteil eines jeden Audiosystems werden kann. Entwickler müssen nur die Signalquelle und die Lautsprecher definieren, die Konfiguration und Datenanbindung durchführen und können dann mit den differenzierenden Merkmalen fortfahren, um ihr System vom Wettbewerb abzuheben und schnell auf den Markt zu bringen. Die zunehmende Komplexität ist nicht die einzige Herausforderung dieses neuen Paradigmas – kürzere Designzyklen und die erforderliche Differenzierung vom Wettbewerb sorgen dafür, dass fertige Plattformen die Zukunft digitaler Audiolösungen bestimmen werden.

(sb)