Negli anni 80 i supporti più utilizzati dagli audiofili per la riproduzione e la memorizzazione dei brani musicali sono stati i Cd audio, mentre i più tradizionalisti facevano ricorso a una tecnologia ancora più datata, ovvero quella dei 33 giri di vinile. Per un breve periodo di tempo l’industria discografica aveva sperato che il Super Audio Cd, introdotto nel 1999, potesse sostituire il Cd tradizionale grazie alla sua maggiore fedeltà e alla superiore capacità di memorizzazione. Nella realtà il Sacd non ha mai conosciuto una larga diffusione nel mercato consumer di massa al di fuori dall’Asia e il Cd tradizionale (con risoluzione a 16 bit e frequenza di campionamento di 44,1 kHZ) è rimasto il supporto fisico più popolare per la musica hi-fi (alta fedeltà). Finora, l’esistenza di formati per la compressione di file digitali - in particolare MP3 - non è stata ritenuta importante per il mercato degli audiofili. Lo scopo principale dei formati per la compressione dei file di tipo lossy (ovvero con eliminazione di informazioni ridondanti in modo che solo una parte dei dati originali venga mantenuta e riprodotta) come appunto MP3 è stato quello di consentire l’uso di lettori musicali portatili di piccole dimensioni. Il codec MP3 è stato sviluppato alla fine degli anni 80 e rilasciato la prima volta nel 1993. Nella configurazione standard MP3 è in grado di comprimere un file audio di un fattore pari a dieci. La compressione è importante per le seguenti ragioni: un brano musicale che richiede circa 40 MB su un Cd può essere ridotto in modo da occupare solo 4 MB, in modo da consentire la memorizzazione di 1.000 brani su un lettore da 4 GB; un singolo brano può essere scaricato da Internet in meno di 30 secondi sfruttando una connessione a larga banda. MP3 e altri formati di compressione di tipo lossy risultano particolarmente adatti per I lettori musicali personali perché le imperfezioni provocate dagli algoritmi di compressione non influiscono materialmente la qualità audio percepito. Le limitazioni dei convertitori D/A (Dac), degli alimentatori, degli amplificatori e degli auricolari utilizzati nei lettori musicali portatili compromettono la qualità del suono tanto quanto il file sorgente. Nello stesso tempo gli utilizzatori attribuiscono una grande importanza alla capacità di memorizzazione, ragion per cui un lettore sarà tanto più apprezzato quanti più brani sarà in grado di contenere. I progressi nel campo delle tecnologie hardware e software hanno reso possibile, dal punto di vista commerciale, la realizzazione di apparecchiature per lo streaming audio digitale di qualità hi-fi. In questo articolo vengono presentati gli elementi chiave delle architetture di tali apparecchiature e descritta una nuova soluzione a livello di scheda che gli sviluppatori potrebbero prendere in considerazione nella valutazione della tecnologia da utilizzare per i progetti di nuovi prodotti.
Tecnologie a supporto dello streaming audio digitale
Grazie a tre evoluzioni della tecnologia audio digitale è ora possibile supportare l’introduzione di apparati per lo streaming digitale hi-fi. La prima è la costante diminuzione del costo delle memorie che permette l’acquisto di un Hdd (Hard disk drive) con una capacità superiore a 1 TB allo stesso prezzo di un Hdd da 1 GB di qualche anno fa. La seconda è l’ampliamento delle opzioni di scelta per il consumatore, che può acquistare on-line file audio di elevata qualità in una varietà di formati di compressione loseless (senza cioè perdita di qualità) come ad esempio Flac. Liberamente disponibile è anche il software che permette di effettuare il cosiddetto ripping (ovvero l’estrazione dei brani da un Cd audio e la conversione in file Flac). Infine, l’introduzione di connessioni a larga banda ad alta velocità ha consentito il trasferimento di file audio lossless (non compressi) da Internet. Quindi i consumatori ora possono reperire file digitali di qualità Cd on-line, scaricarli in tempi rapidi e memorizzarli su un Pc o un Hdd esterno. Ne consegue che collegando altoparlanti e amplificatori hi-fi ai loro Pc o a dispositivi di memorizzazione esterni gli audiofili possono ascoltare file audio digitali di elevate qualità (FIg. 1). Tutto ciò apre una nuova opportunità per gli Oem che operano nel settore dell’elettronica consumer perché l’hardware dei computer tradizionali non è in grado di garantire l’elevata qualità audio richiesta. In realtà è difficile immaginare un ambiente più ostile per l’audio di elevata qualità di un personal computer. Alimentatori a commutazione di scarsa qualità e la presenza di numerose interfacce RF interferiscono con uscite analogiche ad alte prestazioni. Senza dimenticare che interfacce e circuiti per l’elaborazione del segnale introducono rumore, jitter e distorsione nella catena del segnale. I nuovi dispositivi per lo streaming audio dovranno mettere a disposizione un’interfaccia dal supporto di memorizzazione al codec audio; implementare la decodifica Flac; effettuare una conversione fedele, a basso rumore e ridotta distorsione dei file digitali in un’uscita analogica.
Trasmissione dati dall’Hdd a uno streamer audio
I Pc integrano un certo numero di interfacce per trasferire i file audio al Dac di uno streamer audio: nel caso dei lettori multimediali portatili la più diffusa è senza dubbio Usb. L’interfaccia Usb 2.0 standard implementata negli odierni Pc è caratterizzata da un valore di jitter eccessivo che compromette la qualità del suono portandola a un livello inaccettabile. In una configurazione Usb tradizionale, se il master clock audio risiede nel Pc, il convertitore D/A dello streamer audio deve agganciarsi al segnale proveniente dal computer e ricostruire un nuovo master clock utilizzando un oscillatore a frequenza variabile che non è in grado di raggiungere i bassi livelli di jitter di un master clock a frequenza fissa. Un’interfaccia audio Usb supporta un funzionamento di tipo asincrono che consente allo streamer audio di assumere il ruolo di master, mentre il Pc diventa lo slave. In questo modo i dati possono essere estratti dall’Hdd su richiesta e il lettore audio non è vincolato dalle prestazioni del clock del Pc. Oltre che poter funzionare in modo asincrono, il più recente standard Usb Audio Class 2.0 permette di superare molte limitazioni della precedente versione (Usb Audio Class 1.0). Questo standard supporta audio a 24 bit, frequenze di campionamento fino a 192 kHz e permette di gestire un maggior numero di canali di I/O. Una metodologia interessante per implementare Usb Audio Class 2.0 è quella proposta da Xmos, azienda che fornisce un framework software progettato per poter operare sui dispositivi configurabili della serie XS1-L. Questo progetto fornisce implementazioni per dispositivi Usb 2.0 Hi-Speed e Audio Class 2.0 certificate con periferiche e interfacce audio digitali configurabili. Oltre a ciò, il framework è compatibile con Usb Audio 1.0. L’interfaccia Usb Audio Class 2.0 supporta il trasferimento ad alta fedeltà di audio 24 bit/192kHz bit-perfect (ovvero che garantisce una perfetta corrispondenza tra il file compresso e quello originale non compresso) da un Pc (che effettua la decodifica Flac prima di trasmettere i dati audio). L’architettura è differente nel caso l’obbiettivo sia quello di supportare la riproduzione di file Flac in streaming indipendentemente da un Pc. In questo caso lo streamer audio scarica il file Flac da un Hdd o da altri dispositivi di memorizzazione connessi in rete e successivamente decodifica il file per fornire un ingresso digitale al convertitore D/A. I team di progettazione possono scrivere il proprio software di decodifica da far girare sul processore principale del dispositivo, anche se Freescale Semiconductor propone un metodo molto più semplice. La società, infatti, mette a disposizione il software per la decodifica dei file Flac sulla propria famiglia di microcontrollori Kinetis K60 basati sul core Arm Cortex-M4. In precedenza sono state evidenziate le ragioni per le quali un’interfaccia per il trasferimento dei file standard di un Pc non è adatta per la riproduzione di audio ad alta fedeltà. Analogamente le schede audio integrate nel Pc non risultano idonee, soprattutto a causa dell’inadeguatezza dei convertitori D/A utilizzati per tali schede. Questo articolo ha messo in rilievo il fatto che l’obbiettivo degli audiofili sarà acquistare uno streamer audio dedicato che utilizzerà quindi convertitori D/A ad alte prestazioni per convertire i file digitali in un’uscita analogica caratterizzata da bassi livelli di distorsione e rumore. Il WM8741 di Wolfson Microelectronics è stato appositamente ideato per questo tipo di applicazioni. Oltre a garantire una distorsione armonica totale di -100 dB a 48 kHz e un rapporto tra segnale e rumore di 123 dB (stereo non pesato a 48 kHz), questo Dac stereo è caratterizzato dalla presenza di numerose funzionalità tra cui filtraggio digitale avanzato.
Progetto per uno streamer audio digitale hi-fi
La scheda Audio Streamer Micro-Blox è una piattaforma di sviluppo realizzata da Future Electronics grazie alla quale è possibile dimostrare il funzionamento di uno streamer audio digitale hi-fi avanzato. La scheda ospita il microcontrollore MK60N512VMD100 di Freescale che fa girare il software di decodifica dei file Flac e il convertitore D/A WM8741 di Wolfson Microelectronics bufferizzato per mezzo di amplificatori operazionali audio quadrupli di fascia alta (la scheda contiene anche altri componenti per la catena del segnale audio e periferiche per progetti destinati ad applicazioni audio embedded di fascia bassa). La scheda di sviluppo mette a disposizione più ingressi tra cui Usb, Ethernet e interfacce di memoria dirette. Particolare attenzione è stata posta nella stesura del layout della scheda e nella selezione dei componenti passivi e dei dispositivi di potenza (di produzione Micrel) per realizzare un ambiente audio di elevato livello qualitativo.
Verso la fine del Cd
Gli acquirenti di musica gravitano in maniera sempre più massiccia su Internet e ora anche gli audiofili possono trovare in rete musica in un formato digitale, Flac, che garantisce una qualità d’ascolto molto elevata (hi-fi). Ciò segnerà la fine del Cd? A questo proposito è utile ricordare che LP era dato per scomparso già negli anni 80 e ora le vendite dei venerabili dischi in vinile stanno crescendo anno dopo anno (anche se i numeri sono molto diversi rispetto al periodo d’oro). Allo stesso modo alcuni ascoltatori continuano a preferire i Cd - non va dimenticato che le tecnologie cui è fatto menzione nel corso dell’articolo potrebbero anche contribuire a estendere la vita dei Cd. In primo luogo lo sviluppo di tecniche di upsampling (aumento della frequenza di campionamento)/interpolazione ha contribuito a incrementare la qualità percepita dei Cd al di là dei 16 bit intrinseci (un Cd audio è infatti registrato a 16 bit) e la qualità del suono è sicuramente molto apprezzata da molti audiofili. In secondo luogo il software di ripping che converte i dati presenti su un Cd nel formato aumenta la qualità dell’uscita audio (rispetto alla riproduzione su un lettore Cd) poiché la correzione degli errori è eseguita dal software e viene continuamente ripetuta finchè il file da memorizzare non risulta accurato al 100%. Per contro un lettore Cd può solo effettuare una correzione dell’errore “al volo” dando origine quindi a un’uscita non certamente perfetta. Per gli audiofili la scelta migliore potrebbe essere quella di continuare ad ascoltare (e acquistare) Cd convertendoli nel formato Flac per aumentare la qualità della riproduzione rendendola del tutto assimilabile a quella ottenibile con un dispositivo per lo streaming audio dedicato come quello descritto nel presente articolo.
