Аудиопроцессор (DSP) в авто, собираем сами!

Всем здравствуйте! В этом я обзоре я немного погружусь в автозвуковую тему, расскажу и покажу как за 2900р. (всего 2900 р.!!!) можно реализовать проект по изготовлению отдельного аудиопроцессора (DSP) в автомобиль.
Здесь не будет разработки каких-либо жутких схем, изготовления или заказа каких-то страшных плат. Нет, тут будет всё просто, будем собирать устройство из доступных и дешевых покупных комплектующих с интернет-магазинов, сами отлаживать и настраивать, 100%-ая повторяемость.
В результате получим свой аудиопроцессор, с серьезными возможностями для настройки компонентов и корректировки АЧХ, и постараемся решить проблемы звучания аудиосистемы в авто, с которыми сложно и дорого справиться «непроцессорными» способами.

ВВЕДЕНИЕ.

Сразу хочу сказать, что я совсем не болен автозвуковой темой, она меня немного задела, но относительно быстро отпустила. Я глубоко погрузился в эту тему где-то в 2010г. и уже в 2013г. я понял, что добился цели в плане построения своей системы.
Автомобильные аудиофилы отличаются от домашних аудиофилов тем, что первые, для получения системы своей мечты, постоянно заняты сменой компонентов: динамиков, сабвуферов, усилителей, головных устройств, межблоков и кабелей, без перерыва устанавливая и переустанавливая их разными способами в авто, при чем делают это наверное раз в 5 чаще, чем домашние энтузиасты.
Это какой-то абсолютно бесконечных процесс, для многих это серьезное хобби, но могу сказать, что очень дорогое, так как требования и аппетиты быстро растут, стоимость компонентов и время на установку тоже постоянно увеличивается, а отдача и разница в результате всё меньше и меньше. А еще и машина постоянно разобрана и в пучках проводов.

Я в этом процессе достаточно быстро остановился, прошел все пути новичка, наступил на все возможные грабли, и в итоге нашел необходимый приемлемый вариант, на которым я принял решение, что мне хватит, и больше мне не нужно.

Итак, в ходе непродолжительных поисков была собранная следующая система:

• ГУ: JVC KW-R900BT (пришлось заказывать с Amazon, так как ГУ было для рынка США и Японии, спецификация)
• Фронт ВЧ/СЧ: So Audio SO55neo (ссылка на производителя) (статья)
• Фронт НЧ: Мид от комплекта E.O.S. Opera ES-165 II (ссылка на производителя)
• Сабвуфер: Helix P 12W SVC4, ЗЯ в объему 26л (ссылка на карточку динамика) (ссылка на документацию производителя)
• Усилитель Фронт: E.O.S. AE-475 LE Bi-amping (ссылка на производителя)
• Усилитель Сабвуфер: E.O.S. AE-500.1 (ссылка на производителя)

Стоимость этих компонентов сейчас немного настораживает (80-90т.р.), но тогда это стоило как минимум в два раза дешевле, курс Евро в те годы был совсем другой. Усилители брал вообще 2-3 месяца БУ, в состоянии новых, но на 30% дешевле, опять последствия того постоянного перебора компонентов у «глубоко увлеченных» автозвуком, но мне только в плюс)).



Для фронта было задействовано поканальное усиление и использованы встроенные развитые фильтры и гейны усилителя E.O.S. AE-475 LE Bi-amping для разделения полос широкополосника SO55neo и мида.
Для разделения полос сабвуфера и мида был использован кроссовер в ГУ. Также в ГУ JVC KW-R900BT были задействованы функции временной задержки каналов для согласования всех источников.

У всей этой системы был один минус – отсутствие точной настройки (фильтры ВЧ/НЧ приходилось крутить отверткой) и полное отсутствие возможностей корректировки АЧХ. Если общий провал в СЧ (из-за размещения мида в дверях в ногах) решился установкой широкополосного динамика ВЧ/СЧ, то отдельные пики и выстрелы АЧХ от массы переотражений в салоне авто решить с помощью ГУ было не возможно, функции эквалайзера ГУ очень бедные, считай их нет.

Тут была необходима установка аудиопроцессора (DSP) для решения основных проблем, но я уже не был готов выложить от 15 до 40 т.р. за решения от HELIX, AUDISON, Alpine и прочих брендов, появились другие приоритеты, поэтому я ездил и слушал так.
Пока я не натолкнулся на решения на базе DSP чипа ADAU1701. На данную тему я писал в своем предыдущем обзоре по внедрению DSP в домашний усилитель. Там же я писал, что буду готовить свой вариант аудиопроцессора в авто.
Подобрав компоненты и схему их подключения, было проработано следующее устройство.

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ:

1. Модуль DSP ADAU1701 RDC2-0027v1

В качестве основной платы DSP была выбран модуль от CHIPDIP RDC2-0027v1 на базе чипа ADAU1701 (datasheet) (RDC2-0027v1, SigmaDSP ADAU1701. Модуль цифровой обработки звука. V1)



Модуль имеет два входа АЦП, 4 выхода ЦАП. Данный модуль обладает диапазонам питающего напряжения 5В — 36В, что хорошо подходит для авто. На самой плате, правда, отсутствует EEPROM, а лишь посадочное место под память в корпусах DIP или SOIC, которую надо приобрести отдельно, что я и сделал при заказе модуля:

24LC64-I/P, Последовательная энергонезависимая память, 64K, 24LC64 [DIP-8]

2. I2S DAC PCM5102

ADAU1701 обладает только 4-мя отдельными аналоговыми выходами ЦАП, что в моем случае уйдет только на поканальный фронт ВЧ/НЧ. Для подключения сабвуфера необходим, как минимум, еще один канал. Для этой цели можно задействовать I2S интерфейс ADAU1701 для подключения дополнительного I2S ЦАП. Я уже опробовал на домашнем усилителе ЦАП на чипе PCM5122, и он меня вполне устроил, поэтому сейчас решил использовать его «младшего брата» PCM5102.
Была приобретена следующая плата:

PCM5102 DAC Decoder I2S Player Assembled Board 32Bit 384K Beyond ES9023 PCM1794 For Raspberry Pi



Имеется стерео выход, для подключения по I2S на плате необходимо поставить дополнительно джампер на выводах I2S/LJ, которого в комплекте почему-то не положили.

3. Разъемы RCA

Для подключения аналоговых выходов от DSP и I2C DAC я приобрел недорогие RCA разъемы для изготовления межблочных кабелей. Разъемы мне понравились, вполне качественные, цанговый зажим кабеля, не хуже пресловутых NEUTRIK.

2Pcs/1Pair Gold Plated RCA Connector RCA male plug adapter Video/Audio Wire Connector Support 6mm Cable black&red

4. DC-DC преобразователь для питания PCM5102 DAC

Так как плате DAC PCM5102 требуется питание от 5 до 7 В, то было принято решение поставить маленький DC-DC преобразователь на MP1584, c выставленным напряжением питания 5,2В.
1PCS Great IT power module Adjustable MP1584EN DC DC 3A power step-down descending output module 12 v9v5v3 LM2596 24V

5. Корпус аудиопроцессора

Так как это устройство планировалось как первый прототип (но скорее всего останется на продолжительное использование в текущем автомобиле), то корпус решил сделать простой и быстрый. Долго искал подходящую коробку, пока в электротехническом магазине не нашел интересную клеммную коробку с гладкими стенками DKS:

Коробка ответвит. с гладкими стенками, IP56, 120х80х50мм






Коробка вообще очень понравилась, прочные плотные стенки, приятный на ощупь пластик, прямо “soft touch”. Я их в руках много разных держал, но эта реально отличная.

6. Сальниковые вводы корпуса

Так как я решил ставить аудипроцессор прямо рядом с усилителем для фронтальных динамиков, то подумал, что было бы глупо ставить RCA гнезда, делать межблочные кабели по 50 см, куча разъемов.
Я решил, что с одной стороны межблочного кабеля я поставлю RCA разъемы для подключения к усилителю, а ответные концы кабелей заведу непосредственно через корпус на выводы модуля DSP. Для сабвуфера всё-таки придется сделать полноценный межблочный кабель, для подключения к RCA выводам I2S DAC. Для ввода кабелей в корпус решил использовать латунные сальниковые вводы:

7. Плата CY7C68013A

Для подключения, настройки в реальном времени через программный комплекс Sigmastudio и заливки программы в EEPROM модуля DSP ADAU1701 будем использовать плату на чипе CY7C68013A. Брал здесь:
EZ-USB FX2LP CY7C68013A USB logic analyzer core board+Source Code



О данной плате я подробно расписывал в своем предыдущем обзоре, поэтому я размещу информацию из того обзоре здесь под спойлер, чтобы всё было в одном месте:



Для всего этого набора была подготовлена следующая схема подключения.
Компоненты, которые расположены непосредственно в корпусе, очерчены черным квадратом на схеме:

Подготовка корпуса и сборка устройства:

Корпус был задуман очень простой, без придумывания себе дополнительных проблем, но в то же время, всё надо было сделать надежно, так как постоянные вибрации, просто так на термоклей не посадишь.)

На дно нашей клеммной коробки готовим основание из оргстекла для крепления плат внутри корпуса:






Делаем отверстия в полученном основании для крепления его ко дну корпуса на саморезы:




Примеряем плату DSP в корпус, такое ощущение, что клеммную коробку делали прямо для данной платы )), намечаем отверстия для крепления платы к основанию. Ставить платы будем на винты и гайки М3, как я делал для домашнего усилителя.



Примеряем и сверлим отверстия для установки платы PCM5102 DAC:









Размечаем и сверлим отверстия в корпусе под сальниковые вводы межблочных кабелей:






Для подключения платы CY7C68013A к модулю ADAU1701 RDC2-0027v1 я использую простой штекер и гнездо 3.5 Jack, так как нужно всего три провода для подключения. У меня не было панельного гнезда, и размещение его в фронтальной части среди высоких сальниковых вводов тоже было не лучшим решением.
Зато у меня нашлось отдельно гнездо 3.5 Jack на кабель, и я придумал вот такое новое составное гнездо из еще одного сальникового ввода:






Крепить аудиопроцессор я решил прямо сверху усилителя под водительским сиденьем, и решил его зафиксировать на добротные полоски 3М скотча. Так как адгезия скотча к такому пластику клеммной коробки не очень, да и дно коробки всё в ребрах, я решил сделать отдельные монтажные полосы из алюминиевой пластины:







Корпус готов, все отверстия сделаны, можно отправить в покраску, так как белый цвет будет совсем странно выглядеть в черном салоне автомобиля:





Начинаем собирать. Размечаем DC-DC преобразователь на дно корпуса всей площадью на 3М скотч, и закрываем сверху нашим основанием:




Размещаем все платы, вводим кабели. Ответные концы межблочных кабелей решил непосредственно припаять к выводам гребенок, все соединения изолировать термоусадкой:



Паяем коннекторы и делаем межблоки. В качестве кабеля используется МКЭШ 3 х 0,35 мм2:




Собираем устройство, соединение платы DSP и PCM5102 DAC делал перемычками:




На кабель питания на плюсовой проводник впаял в разрыв предохранитель 1 А:

УСТАНОВКА В АВТО:

Оба усилителя у меня живут под передними сиденьями, там ниша оказалась глубокая, и они туда отлично влезли. Наш аудиопроцессор будем ставить сверху усилителя фронтальной акустики, разместим так, чтобы он не мешал при продольном перемещении кресла блоку обогрева сиденья и блоку подушки безопасности:





Предварительно всё подключаем и пробуем, что всё работает:



После успешного запуска можно окончательно монтировать и подключать:






Подключаем отдельным межблочным кабелем усилитель сабвуфера:

НАСТРОЙКА И ЗАПИСЬ ПРОЕКТА:

Настройка и заливка программы проекта в EEPROM платы осуществляется в программном комплексе SigmaStudio. Подробную инструкцию по установке программного обеспечения, драйверов и активизации платы CY7C68013A в качестве интерфейса USBi, для внесения изменений и корректировок в реальном времени в проекте в SigmaStudio, я давал в своем предыдущем обзоре, и размещу ту информацию опять здесь ниже под спойлер:



К указанной под спойлером инструкции для нашего устройтсва необходимо сделать еще пару следующих манипуляции в проекте, для того, чтобы у нас заработал внешний DAC PCM5102 по шине I2S:

В SigmaStudio на вкладке «Hardware Configuration» и нижней вкладке «IC 1-170x\140x Register Control» необходимо выставить и проверить следующие пункты как на скриншоте ниже:

— в блоке «Serial Output 1 (channels 0-7)» поставить галочку на Master Mode, и проверить LRCLK polarity и BCLK polarity
— в блоке «GPIO» выставить:
MP6 — Output Sdata_out0;
MP10 — In Lrclk_out;
MP11 — In Bclk_out



Для разруливания всего нашего комплекта в авто необходимо было подготовить проект DSP в SigmaStudio. Можно было сделать всё с чистого листа, но я наткнулся на один готовый проект от ребят из MADBIT (http://madbitdsp.com).
Их ранний процессор MadBit DSP 5 был спроектирован по схожей схеме, и также необходимо было использовать SigmaStudio для подготовки проекта и настройки.
Я взял их готовый проект для данного аудиопроцессора, но он был иерархически раскидан по вкладкам, плюс меня не устраивали некоторые используемые модули.








В итоге собрав основные элементы на одной рабочей области, сделав дополнительные обозначения и удобное размещения для быстрой настройки уже сидя в авто, у меня получился следующий проект:






У каждого динамика есть свой отдельный параметрический эквалайзер, регулятор уровня, переключатель MUTE, а также есть дополнительный побортный переключатель MUTE (левая/правая сторона, для удобства замеров и настройки), а также блоки задержки сигнала.

Файл проекта у меня получился в двух вариантах, и различается они только способом задания задержки сигнала для канала сабвуфера.

Дело в том, что после замера расстояния до каждого динамика из точки прослушивания, у меня получилось, что правый мид находится дальше (145 см), чем сабвуфер (125см). Во многих статьях говорится, что указывается фактическое расстояние до катушки, и не важно в какую сторону развернут динамик. В соответствии с этим я сделал проект следующим образом (car_dsp_sub_close.dspproj):



В ходе настройки и тестирования оказалось, что такой задержки, рассчитанной из фактического расстояния, не хватает для «вытягивания» сабвуфера из багажника седана. Скорее всего это связанно с закрытым объемом багажника седана, и более сложным путем НЧ волны, поэтому пришлось вернуть обратно в прежний вид, с первоначальной задержкой всех динамиков фронта относительно сабвуфера (car_dsp_sub_far.dspproj):



Задержки в SigmaStudio задаются сэмплами, я сначала для себя, а затем и для Вас, подготовил таблицу для перевода расстояния до динамиков из точки прослушивания в сэмплы, которые вносятся в соответствующие блоки для каждого излучателя. В таблице сделал соответствующие комментарии по выбору проектов.





Для непосредственной настройки в авто я использовал в принципе тот же комплект, что и в обзоре про DSP для домашнего усилителя:

— Измерительный микрофон;
— USB звуковая карта;
— Room EQ Wizard;
— Плата CY7C68013A c кабелем USB и трехпроводным кабелем для подключения к аудиопроцессору;

Правда в этот раз мне было удобнее разделить на два комплекта, так как очень неудобно работать в SigmaStudio, и одновременно смотреть в окно RTA в REW. Для этих целей пришлось достать с полки старый ноутбук с Windows. (кстати, чуть больше чем за 6 месяцев SSD Plextor куда-то потерял файлы на носителе, система отказалась грузиться, ссылаясь на отсутствие нужных системных файлов, а лег отдыхать он в нормальном рабочем состоянии):





Для настройки системы в авто я наткнулся на интересный мануал на сайта конторы Audiofrog

Они продают в США аудио оборудование для авто, а также измерительный комплект для настройки аудиосистемы.
У них на странице измерительного комплекта есть мануалы по использованию его с Room EQ Wizard, а также очень добротный документ по настройке аудиосистемы в автомобиле. Очень хороший материал, доступным языком от инженера для простого человека. Очень советую, правда на англ. языке, но на русском языке я таких материалов честно не встречал.

A Straightforward Stereo Tuning Process and Some Notes About Why it Works

Audiofrog UMI-1 Setup Instructions for REW

Также полезный раздел их форума:

www.audiofrog.com/community/tech-tips/

Настройку производил на розовом шуме, побортно, корректировки вносил в реальном времени.
Для более стабильного отражения кривой АЧХ в окне RTA в Room Eq Wizard я использовал не просто розовый шум, а доступный в REW «периодический розовый шум» (Pink Periodic).
В REW, в окне “Generator” выбираем “Pink Periodic”, выставляем “Sequence length” в 16k и указываем настройки формата сохранения WAV файла на выходе. Мне было проще создать WAV файл и запускать его непосредственно с ГУ, чем запускать его с ноутбука через AUX ГУ или на вход аудиопроцессора.



В настройках окна RTA также выставляем FFT в 16k, и теперь наш график в реальном времени не требует усреднения, а почти статичен, и все изменения, которые мы вносим, мы видим четко и без прыжков и колебаний графика. Очень удобно.



В итоге ниже представлены некоторые настройки и корректировки, которые мне пришлось внести для получения приятной картины. Удалось справиться со многими всплесками на определенных частотах, из-за которых до этого приходилось снижать уровень широкополосников, так как на многих композициях предпочитаемых мной жанров было очень некомфортно. Сейчас стало всё очень хорошо.








Провалы АЧХ править бесполезно, сколько дБ не вливай, зачастую толку мало. Попытки жесткой эквализации основной части диапазона вниз до уровня провальных участков АЧХ приводят к жуткому эффекту: на графике с микрофона вроде всё красиво, но слушать трудно, потому что присутствует сильная расфазированность, как будто все динамики подключили в противофазе. Фильтры крутят фазу, а когда их очень много – то получается какая-то «фазовая каша», убедился лично.

Задержку сабвуфера пришлось настроить уже почти на слух, у меня с этим был опыт на ГУ, так что значения задержки в семплах были получены опытным путем. Благо это делается буквально на глазах, просто вбиваем разные значения в ячейке в модуле, жмем Enter и сразу слышим изменения даже без прерывания сигнала.

Теперь о текущих проблемах:

— Питание: в общий сигнал с аудиопроцессора добавился «приятный» звук генератора. Его хорошо слышно на малых громкостях, или когда воспроизведения на ГУ на MUTE или на паузе. Такой звук был в игрушке в “Need For Speed”, когда покупаешь своей машине комплект Turbo )). Подключил аудипроцессор от внешнего AC-DC преобразователя – всё норм, никакого мусора. Нужна гальванически развязанное питание. Заказал изолированный DC-DC преобразователь B1212S 2W (1pcs/lot module authentic B1212S B1212S-2W DIP-4 In Stock, должен помочь;
— Хлопок при выключении: хлопок небольшой, иногда еле заметный, но он есть. Планирую поставить параллельно питанию электролит на 1000-2000 мкФ, c диодом, чтобы ADAU1701 выключался позже усилителей, тем самым избегая хлопка;

— Небольшой шум АЦП: его слышно когда нет сигнала, и естественно его слышно только когда машина заглушена, крутим стартер, и шум уже сливается с другими шумами авто. У меня редко можно встретить ситуации, когда машина заглушена, работает ГУ, но сигнала нет.
Но я все равно воспользовался советом из статьи инженера AD по решению подобных проблем в автомобиле (Minimizing Noise and Power Consumption in Automotive Audio Systems with SigmaDSP), и добавил модуль компрессора для снижения уровня АЦП при отсутствии уровня сигнала. Возможно следует добавить I2S АЦП получше, но меня пока всё устраивает.

БЮДЖЕТ ПРОЕКТА:

DSP ADAU1701 RDC2-0027v1 – 1100р.
I2S DAC PCM5102 – 255р.
DC-DC преобразователь – 50р.
Разъемы RCA – 460р.
Корпус аудиопроцессора – 120 р.
Сальниковые вводы корпуса, гнезда – 300р.
Плата CY7C68013A – 280р.
Прочее – 300р.

Итого: 2865 р.

И это за полностью рабочий аудиопроцессор в авто!

Владельцы DSP устройств от HELIX, AUDISON и прочих, конечно, закидают меня сейчас тухлыми помидорами, рассказывая, что их процессоры, по ряду параметров (THD, SNR и т.д.) уделает этот бедный ADAU1701. Но спрашивается, зачем всё эти сказочные параметры в автомобиле, с работающим двигателем, вентилятором кондиционера или отопителя, а если еще в движении… В тишине, в гараже, возможно да, но мне кажется, что тогда лучше уж дома. Да и всё равно, если взять новую плату у CHIPDIP на базе ADAU1452 (RDC3-0027v1, SigmaDSP ADAU1452. Модуль цифровой обработки звука. V1) за 1200р., а также прикупить к ней I2S АЦП и пару-тройку I2S ЦАП на Ali и прочих, то HELIX и AUDISON вообще погрустнеют с их ценой, но схожими параметрами.

Планы по доработке:

Сделаю отдельную плату, размещу на ней диод, конденсатор, DC-DC преобразователь и клеммники для подключения, размещу вне аудиопроцессора. По-хорошему, разместить всё это внутри корпуса, но это уже в следующем устройстве.

Заказал потенциометры 10 кОм, и кнопки с фиксацией. ADAU1701 имеет GPIO для подключения кнопок, энкодеров и потенциометров для выполнения различных регулировок. Хочу сделать кнопку отключения блоков задержек, когда еду с семьей, сделать кнопку включения тонкомпенсации на низких уровнях громкости, а также на потенциометрах сделать фильтры Low Shelf до 100 Гц и High Shelf от 14 кГц, для корректировки по необходимости.

Low Shelf фильтр очень актуален для радио, которое работает, когда едем вместе с семьей (кроме сына никто не разделяет моих музыкальных предпочтений). Они на радио так любят компрессировать диапазон, что сабвуфер начинает играть гораздо бодрее, и скатывается больше в бубнеж. Сейчас у меня стоит штатный регулятор уровня (Gain) усилителя сабвуфера E.O.S. AE-500.1, пользуюсь им, но крутить гейн усилителя — это не совсем правильно.

Сделаю отдельный пульт для вышеперечисленных регулировок, размещу на центральной консоли, как сейчас расположен текущий пульт. Придется внести изменения в проект в SigmaStudio, добавить соответствующие модули и конфигурацию, подготовлю небольшой обзор по доработкам, думаю будет не менее интересно.

Сразу прошу прощения за возможные неточности в терминологии и обозначениях, это не та тема, где я силен, но очень интересуюсь и пытаюсь разобраться.

Пока всё. Есть, наверное, еще много, что дописать, что забыл указать, но и так много, объемные тексты не всегда просто воспринимать. Думаю, дополнительно можно будет разобраться в комментариях.

Материалы и файлы для скачивания:

1. SigmaStudio (дистрибутив);
2. Драйверы для платы Cypress CY7C68013A
3. Программное обеспечение для платы Cypress CY7C68013A (CySuite / CyConsole)
4. Файлы проектов в SigmaStudio для аудиопроцессора, с XLS файлом расчета временных задержек (в архиве два варианта проекта)
5. Файл проекта в SigmaStudio для аудиопроцессора от MadBit DSP 5
6. Схема подключения аудиопроцессора
7. A Straightforward Stereo Tuning Process and Some Notes About Why it Works
8. Audiofrog UMI-1 Setup Instructions for REW