Zajímavost – Jaké DSP se skrývá v MP3 přehrávačích Creative ?

Každý si více méně koupí MP3 přehrávač, který se mu líbí, který má jím požadované vlastnosti, ale obvykle již nikdo nezkoumá, co je vlastně uvnitř, tedy co „způsobuje“, že to hraje. Mě to nedalo a rozmontoval jsem jeden 2 roky starý MP3 player MuVo TX v této oblasti známé firmy Creative. Mimo v přístroji vestavěné Flash paměti umístěné na zásuvné desce pod LCD displejem, jsem na základní desce našel i druhý „velký“ integrovaný obvod v pouzdru BGA doplněný krystalem a dále obklopený jen množstvím jednoduchých součástek (převážně SMD tranzistorů, odporů a kondenzátorů). Základní deska mimo to dále obsahovala i prvky připojení a ovládání, jako je USB port, Audio jack pro připojení sluchátek a ovládací tlačítka. Usoudil jsem proto, že je to řídící obvod, nějaký SoC (System on Chip) či DSP (Digital Signal Processor). Obvod byl označen jako SIGMATEL STMP3520. To mi nic neříkalo, a proto jsem se obrátil na internet a vyhledávač Google, a vypadlo mi několik zajímavých odkazů. A protože mi obvod přišel docela zajímavý, rozhodl jsem se ho zmínit v tomto článku na HW serveru a ukázat tak, co vlastně tvoří některé ty populární MP3 přehrávače…

Multifunkční Audio SoC SIGMATEL STMP35xx

I když společnost SigmaTel není mezi běžnými lidmi (elektrotechniky) známá, patří celosvětově mezi hlavní výrobce integrovaných obvodů pro přenosnéáaudio zařízení. Hlavním zaměření této firmy je totiž dodávání obvodů výrobcům MP3 přehrávačů, tzv. OEM zákazníci. Mezi hlavní její zákazníky patří právě společnost Creative. V jejích přehrávačích lze najít speciální multifunkční Audio SoC (System on Chip) označených jako STMP35xx, přičemž „ST“ znamená SigmaTel a MP35xx (např. MP3520 v mém MP3 přehrávači) označuje přímo typ součástky. Jak si lze přečíst níže v přehledu vlastního obvodu, jde skutečně o velmi integrovaný systém, který mimo paměti, která je externí, ale je pro ni připravené připojovací rozhraní (speciální piny součástky), prakticky obsahuje či podporuje vše potřebné. Takže ve výsledku se takový MP3 player skládá právě jen z obvodu STMP35xx a přidaných periferií, jako například zdroj vnitřního hodinového signálu 24 MHz, LCD displej, tlačítka, audio jack konektor, USB konektor, které jsou však díky k tomu určeným speciálním pinům SigmaTelu k němu přímo připojeny.

Základem SoC obvodů STMP35xx je 24bitový signálový procesor (DSP jádro) doplněný on-chip ROM paměťí 48 kB (16k x 24 bitů), filtr, různá rozhraní pro připojení záznamových médií a pamětí, komunikační rozhraní, 18bitové sigma-delta A/D a D/A převodníky, napájecí obvody, sluchátkový a mikrofónový zesilovač a samostatně pracující hardwarově řízené USB rozhraní 2.0. Důkazem toho je test, kdy MP3 player připojíme do USB portu PC s odpojenou přídavnou deskou s Flash pamětí nebo přehrávač bez nahraného (vymazaného) firmwaru, naváže PC s destičkou komunikaci a ohlásí se ve Windows jako nový hardware STMP3500 (drivery pro komunikaci s Windows lze získat na adrese zde(link is external)). Zároveň díky v ROM integrovanému bootloaderu lze tímto způsobem do MP3 přehrávače nahrát firmware, i když tam předtím žádný nebyl.

DSP jádro ve spolupráci s ROM paměťmi má implementovanou schopnost dekódovat formát hudby MP3 a WMA a zakódovat do MP3 zvuk z mikrofonu, linkového vstupu (Line-In) či FM rádia. Aby však mohl být analogový signál digitálně zpracován či naopak aby bylo možno dekódovanou MP3 poslouchat, je nutné využít A/D resp. D/A převodníku. Ten je zde 18bitový typu Sigma-Delta. Aby na jeden převodník bylo možné přivést signál z více vstupů (MIC, Line-In, FM) je před ním implementovaný analogový multiplexer. Protože se předpokládá napájení z baterií nebo akumulátorů je již v SoC implementován DC/DC konvertor a digitální kontrolu napětí baterie využívající jednoduchý A/D převodník. Pro přístroje vybavené akumulátory je na chipu velmi vítaná integrovaná nabíječka, která může brát el. energii buď z připojeného externího napájecího zdroje nebo z USB portu po připojení k PC.

Aby stejný obvod i při své specializaci nebyl až moc speciální, tzn. aby vyhovoval různým požadavků výrobců přehrávačů, obsahuje široký rozsah rozhraní pro připojení snad všech běžných paměťových i diskových nosičů dat. Pro zastánce integrovaných pevných pamětí uvnitř přístrojů je zde rozhraní pro SDRAM paměť a různé typy Flash chipů (NOR, NAND, MLC). Pro přístroje, které mají pracovat s Flash kartami, lze k obvodu připojit karty typu SmartMedia, Compact Flash, MMC/Secure Digital. Pokud by MP3 přehrávač měl pracovat s nějakým harddiskem či CD mechanikou, je na chipu přítomné i IDE rozhraní. V budoucnosti asi přibude i SATA (odhad autora článku). Pro komunikaci s dalšími „inteligentními“ periferiemi či jinými MCU je k dispozici sériová rozhraní SPI a I2C.

Aby vývoj MP3 přehrávače byl co nejjednodušší, poskytuje SigmaTel k SoC i tzv. SDK (Software Development Kit). Ten již implementovanou schopnost rozkódovat či zakódovat formát MP3, WMA či JPEG soubory a přítomnost protokolů pro správu digitálních práv DRM (Digital Rights Management – PDDRM, WMDRM), doplňuje o audio kodeky, souborový systém (file system management), uživatelské rozhraní (user interface), komunikace a spolupráce s PC (host applications). Výsledkem je tedy fakt, se kterým se setkáváme v obchodech, tedy že existuje mnoho a mnoho „no name“ výrobců MP3 přehrávačů, protože jejich vývoj a výroba není s takovými obvody jako je Audio SoC SIGMATEL STMP35xx příliš složitá.

Vlastnosti obvodů STMP35xx

• Integrovaný dekodér formátu MP3 a WMA
• MP3 enkodér pro nahrávání hlasu, FM rádia a linkového vstupu
• Možnost upgratování na jiné formáty
• DRM (Digital Rights Management)
  • Portable Device Digital Rights Management (PDDRM)
  • Windows Media Digital Rights Management (WMDRM)
    
• Nahrávání hlasu ve formátu ADPCM
• Na chipu vypálené unikátní ID pro DRM
• Flexibilní rozhraní pro připojení paměti typu:
  • SDRAM
  • Pamětí Flash (NAND, NOR, MCL) – více zapojených pamětí tvoří jeden celek
  • Paměťové karty: SmartMedia, Compact Flash, MMC/Secure Digital
• DC/DC převodník umístění přímo na chipu
  • Režim úspora el. energie pomocí DPM (Dynamic Power Managment)
  • Provoz až 50 hodin na jednu tužkovou AA baterii
  • Kontrola napětí baterie pomocí A/D převodníku s nízkým rozlišením
  • Napájení pomocí mikrotužkové baterie AAA, tužkové AA, nebo Lithiového akumulátoru
• Integrovaná nabíječka Li-Ion akumulátorů
• Univerzální digitální vstupy a výstupy GPIO
• Analogové vstupy MIC, FM, Line-In
• Vysokorychlostní USB rozhraní 2.0 (2.0 Full Speed nebo 2.0 Hi-Speed)
• Filtrované vstupy pro připojení tlačítek
• Budič LED diod a LCD displeje
• Integrované hodiny RTC (Real-Time Clock)
• Vstup pro FM tuner a podpora jeho řízení
• Vestavěné řízení hlasitosti (úrovně signálu) při nahrávání i přehrávání
• Plná konfigurace analogového směšovače
• Integrovaný sluchátkový zesilovač se zkreslením < 0.05% THD a ochranou proti zkratu
• 18bitový zpracování dat a D/A převodník sigma-delta
• SNR linkového vstupu a výstupu lepší než 94 dB
• Podpora funkce „USB Mass Storage“ pro OS Windows a Macintosh
• Upgratovatelný firmware přes USB rozhraní
• Vestavěné řízení basů a výšek
• Grafický ekvalizér – úprava frekvenční charakteristiky
• Podpora Playlistu a souborového systému s podadresáři
• Pouzdra: 100-pin TQFP nebo 144-pin BGA

Závěr

Jak jste mohli vidět v tomto článku, integrované obvody Audio SoC STMP řady 35xx výrazně zjednoduší realizaci celého MP3 přehrávače. Samotný hardwarový návrh celého přístroje tak není příliš složitý a náročný (v porovnání s tím, co přístroj umí) a se softwarovým kitem ani programátorsky. Výsledkem je tedy fakt, se kterým se setkáváme v obchodech, tedy že existuje mnoho a mnoho „no name“ výrobců MP3 přehrávačů, protože jejich vývoj a výroba nejsou s takovými „chytrými“ obvody až tak složité, jak by člověk na první pohled očekával. Zároveň systém „vše na jednom chipu“ může být velmi malý, zvláště pokud je integrován v pouzdru BGA, což je jeden z hlavních cílů každého výrobce kapesních zařízení.

Pro bližší informace o obvodech STMP32xx odkazuji na webovou stránku výrobce –www.sigmatel.com/products/portable/audio/stmp3500.aspx(link is external).
Zajímavé stránky o řešení problémů MP3 přehrávačů Creative jsou pak i na webu http://localize-it.narod.ru/stmp3500.htm(link is external)(i když jde o ruský web, je na něm vše anglicky a je pěkně udělaný a bezpečný).

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy SigmaTel, výrobce integrovaných obvodů pro MP3 přehrávače – www.sigmatel.com(link is external)
• Zajímavé stránky o řešení problémů MP3 přehrávačů Creative (vše anglicky) – http://localize-it.narod.ru/stmp3500.htm(link is external)