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手机也能HIFI? 看顶级音乐播放器电路设计

2013-05-29 10:41:27  来源:www.pcpop.com/  发布者:梁志一  版权:转载
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导读:对于大部分消费者来说,一款数码产品的好坏往往不在于性能的优劣,反而品牌、价格以及厂商宣传力度等因素更为重要,稍微理智的人可能会...
  对于大部分消费者来说,一款数码产品的好坏往往不在于性能的优劣,反而品牌、价格以及厂商宣传力度等因素更为重要,稍微理智的人可能会去看看参数,然后商榷一下“性价比”这个东西,而感性多一些的人可能只看外观或者单纯的品牌概念就会决定购买。正如同大部分选择Apple的人那样,其实大部分用户对于自己手中的器材并不是十分了解,只知道既然那么多人在用,并且品牌强势,口碑又很好,而且用起来还能表现得很有范儿,足矣了。
  但作为一个专业玩家,而且是那些把自己定义为“发烧友”的一群人,技术流的存在还是有存在的必要。可能这部分人在消费者中所占的比重很小,但对于一个真心想做品牌的企业来说,得到这部分人的认可很是重要,有拿得出手的高端产品,才能体现不可替代性,才能体现出品牌价值。
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  作为发烧友,在生活中总会遇到一些比较令人抓狂的局面:
  比如前一段时间当笔者使用HiFiMAN HM-901听音乐的时候,一位朋友对笔者的播放器表示了怀疑,这个东西好丑啊......(呃,这是个人审美,咱无话可说),当得知901售价5999而且还得单买耳放卡的时候,不可思议的表情浮现在笔者眼前,“有这钱我都买单反了,这东西就算声音比手机好,也不至于卖那么贵吧!”......笔者只好保持了沉默,对于无法接受的人咱还是无视比较好。而最近总是有人到笔者这里拿手机HiFi说事儿,着实让人无奈。
  那么一款HiFi级别的播放器为啥就这么贵呢?普遍售价均在1千元以上,旗舰型号动辄4、5千元,那么HiFi播放器这个东西是究竟是怎么做的呢?凭什么卖那么贵呢?好吧,今天这篇文章笔者就来为大家做下“不怎么全面”的解答。当然,为啥会卖那么贵不仅仅与技术有关,还与设计、制造、宣传、运输、以及预计的销量等等有关。
  今天这篇文章会以对HiFiMAN早期工程样机的拆解分析为主线,告诉大家一款旗舰类播放器是怎样设计的,都使用了哪些元件,而这些元件使用了哪些型号,作用又是什么。同时呢,既然那么多人关心手机HiFi的问题,那就事儿说说吧!在进行实物拆解之前,我们先来看看音乐播放器的结构框图,这有利于对播放器电路的理解。
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  正如七彩虹官方网站上的文字所说,传统的便携式音乐播放器(也就是所谓的MP3播放器)多采用“一芯结构”:
  主体结构由“闪存数据”→“MPU主控处理器”→“DAC数模转换模块”→“耳机放大器”组成。这是一款音乐播放器的最简结构,同时也是早些年山寨MP3众多的原因之一,因为电路实在太容易模仿。在MP3的时代,决定一款播放器好坏的因素往往只是看用了谁家的“芯片解决方案”,而电路均由芯片企业提供,有点儿追求的厂子回去改一改,而懒的厂商回去直接生产售卖,同样的道理,之后的MP4以及现在的平板电脑很多也是这样的套路。而之所以SONY及Apple的播放器音质会好一些,那是因为它们均有自己专利的电路解决方案,并且在元器件的使用以及UI设计上更好一些。
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  其实无论是什么音乐播放器,基本的流程都是由“闪存数据”→“MPU主控处理器”→“DAC数模转换模块”→“耳机放大器”组成,而不同之处在于:HiFi级别的播放器在电路的设计上更为复杂,会有大量的附加电阻、电容以及各种元件对电路进行修饰,并且所使用的元件多为音频专业器件,技术参数更高,这也是为什么市面上的顶级播放器块头都很大的原因,因为高参数的音频元器件,意味着体积更大,同时也意味着电压需求更高,热量更大。在音响界有句话“音响玩到高端,那就是玩电”。
  类似上图所示,七彩虹C4在主体电路之上加入了更多模块,如“Jitter Kill”模块,由C4时钟发生器、TCXO高精度温补晶振以及CIRRUS的CS8422采样频率转换器芯片(SRC)组成的组构,可以有效让Pocket HiFi输出的Jitter值减小。在放大部分也由简单的一步放大变为了复杂的三部分。
  对手机HiFi怎么看?如今的手机,绝大部分依然采用类似“一芯结构”,并且所使用的元器件大部分为廉价产品,电路设计也是较为简单,这种结构对于音质的损耗极大,这就是造成手机的音质普遍偏低,虽然很多手机企业提供了数字EQ解决方案,但正所谓底子薄,您再怎么得瑟,还是软蛋一枚。
  曾经有人问过笔者,而最近也有媒体畅想了手机HiFi的前景,并且看好,但在笔者看来,虽然手机音质会有所提升,但短时间之内手机HiFi发展潜力不大,最显而易见的原因就是无法使用高品质的芯片(主要是最后一级运放),而高品质意味着高功耗。例如,HM-901使用的 OPA627AU 运放电源最大输入正负18V(也就是电源不允许超过36V压差),OPA2107AU 的电源最大也是正负18V,而我们知道HiFiMAN的电池电压为正负7.4V,也就是说最大电压能够达到14.8V。
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  那么手机厂商面临的第一个问题就是电池,手机电池的工作电压一般维持在2.75V-4.2V之间,所以手机的电路设计中会有很多升压芯片以及降压芯片,而如果增加HiFi部分,也就意味着要加入更多的升压芯片及降压芯片,这也就意味着功耗的增加。
  众所周知,手机追求的是多功能化,超薄,超轻一直是手机的发展方向,因此手机HiFi本身与手机的发展方向背道而驰(除非手机是向着平板方向发展,那样倒是可以考虑发展一下),并且手机内部的各种处理器同样也是耗电大户,再多一些的话,那点儿电量实在可怜。还是音响圈那句话“音响玩到高端,那就是玩电”,而手机的“电”是个致命的弱点。
  再有,同样可以算作是嵌入式设备,都是Android系统,HTC的手机在电量低的时候不能启动摄像头,Samsung的手机在电量低的时候不能用闪光灯,Sony的相机在电量低的情况下不能启用无线功能……那手机加入HiFi功能,在电量低的时候准备禁止谁启动?最后,为了降低电路噪音,所以就要对通信模块进行改造,那是不是会导致通信的效果不好?那手机的价值何在?
  小总结:所谓手机HiFi,国内的步步高从音乐手机时代就一直在做,并且近两年推出了几款高阶一些的HiFi手机,但正如上文所说,其瓶颈无法避免,选择高阶一些的DAC芯片,然后使用低功耗的运放芯片,在外围电路上做优化,做屏蔽,以此来达到高品质的声音效果,但正如《进击的巨人》这部动漫中所演,你是人类,即便你长得再高大也还是人类,永远无法达到巨人的体量。
  当然,手机的音质还是有提升的空间,这主要看设计师如何利用现有的低功耗芯片,以及更为优化的电路设计,同时也需要耳机厂商推出更多低阻高敏而且容易出好声的耳机产品来配合。作为今天的第一配角,拆解HM-901是必不可少,前两日笔者还看到了有玩家已经对901进行了MOD,动手能力值得钦佩。
  注:文中所拆HM-901为早期样机版本,所以内部有很多人工修改的痕迹以及飞线,所以希望大家不要在这个问题上纠结。
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  拆解HM-901需要注意的一点就是顶部这个皮制的卡隼结构,其结构是将皮层粘合在一块有镂空设计的U形塑料面板上,内部并没有螺丝设计,起到一定的固定作用。
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  取出HM-901电池舱内的4颗螺丝,再摘除卡隼,就可从底部将901撬开,这时需要注意的是,力道要均匀,并且一定要从播放器的下部开始,防止将机壳的卡隼结构损坏。
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  大家可以看到蓝色的飞线,这在量产版的901中已经取消。
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  一部完整的HM-901总共由4块电路板组成,模块化的理念很是深入,并且电路板之间采用排线连接。
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  对HM-901的拆解之后,就到了今天最为重要的部分,我们来看看一款售价5999元的播放器到底使用了什么元件,电路又是如何设计,下面是笔者绘制的HM-901的结构框图,大家可以先有个印象,在下文中,笔者将会分别解释。
  注:HM-901下面有个Dock口是可以输出数字信号和Line Out的,所以在音频DAC之前和DAC之后还有两个输出才对。
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  好吧,下面的解释可能有些枯燥.
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  图中的红色处理器为“君正 JZ4760”,600MHz MIPS CPU(对应框图中的应用处理器,专业上应叫SoC或OMP,因为不止有CPU核还包更多接口等"外设"),有一定的片上资源,并且有浮点运算单元,为各种格式音乐做解码,控制数据传输,处理用户输入。
  图中粉红色为“三星 K9LBG08U0D”4GB MLC 闪存颗粒(对应框图中的闪存),播放器的系统存储其中内存,系统一般会占用10MB-1GB的空间(以Linux开发板做参考),其余空间可以设计成内置存储(但是目前HM-901貌似没有设计,因为其没有内置存储空间)。
  图中蓝色为“现代 H5PS1G63EFR”DDR2 内存颗粒(对应框图中的内存),64M个单元,每个单元16位(2字节),因此是128MB一片。播放器上装了2片,应该是一片存储奇数地址数据(前两个字节),一片存储偶数地址(后两个字节)。
  图中浅蓝色“擎泰 SK7831”读卡器芯片 (对应框图中的读卡器),支持MMC/SD/SDHC/SDXC/Memory Stick PRO/MS-Pro HG(也就是说如果卡槽是多合一卡槽,这机器也可以读Sony的记忆棒),用这个芯片应该是为了支持SDXC。
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  图中绿色部分就是上图中的排插,主要是方便电路板之间的电路链接,避免各种飞线,图中的黑色及蓝色飞线貌似是供电,在新版本中只需再加一组排插就能解决。在插针附近有不少晶体管和稳压器件,目的是为各种芯片提供不同的工作电压,并且防止相互干扰。晶体管目的是增大稳压器件的工作电流。正方形的是DC-DC芯片,管脚几乎在芯片底部,目的是良好接触与良好散热。电容和电感(圆形器件)组成LC滤波器,减低DC-DC产生的开关噪声。
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  图中红色“德州仪器 DIT4192”数字音频发送器芯片(对应框图中的数字音频发送器),用于将CPU数字解码后的音乐以192KHz的速率数字输出。因为CPU输出的SPDIF数据并不是可以直接同轴输出的,而是普通的串行数据。需要这个芯片做协议转换和放大输出。
  图中粉红色“德州仪器 LM833”中频双运放,(框图中没有出现,是电源或者键盘部分,未画出),目前不知道具体的作用,但有三个猜想:
  1、用电阻将主电池的电压分压,取一部分电压之后比例缩放到CPU的AD能识别的范围,用于电压检测。
  2、选歌的拨盘如果是模拟的(意思就是它是电阻),也是将电压范围缩放之后给CPU的AD,用于旋转位置检测。
  3、如果拨盘是数字的(就是每一个阻尼位置是改变管脚编码),而又不想让CPU耗费更多GPIO管脚做按钮检测,可以用运放变成脉冲信号,触发CPU中断。
  图中绿色部分为Wifi芯片(图中的Wifi),其右边电路板上有点的黄色区域是天线,金属壳防止意料之外的高频信号向外辐射,造成对CPU等器件的干扰。
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  图中粉红色“ES9018S”DAC芯片,32bit 200kHz DAC,目前市面上可见的最高参数DAC芯片之一,对来自“德州仪器 DIT4192”的信号进行数模转换。这块DAC可谓名声响亮,早期仅用在HI-END器材中,目前使用这款芯片的还有DX100播放器,但这块DAC调音极为困难,尤其是HM-901还偏偏用了两块(一个声道一块),技术难度比台机还要高。
  图中红色与绿色分别是“德州仪器 OPA2107AU 和 OPA627AU”(两组,对应两个声道),均是低噪声精密运放,具有低噪声,高精度,低差模失调电压的特性(原理图中的DAC输出运放),其中OPA2107AU会把ES9018S产生的差分信号变成单端信号,之后再由OPA627AU进行初步放大。
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  上面的LEAD FREE意思是焊接可以使用温度更高的无铅焊接,侧面说明温度稳定性更高。围着一圈的电容除了有防止瞬间电压过低的设计,还有防止电源噪音干扰的设计。
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  德州仪器 OPA 627AU(4枚) BUF 634U(4枚),最终的功率放大(OPA放大电压,BUF提供功率输出)(对应图上的功率放大)4枚BUF最终形成BTL电路“全平衡”输出,耳机每个声道的每一端都能有自己的电位(可正可负)。如果是半平衡板,放大器数量减半,耳机一个声道的一端电位永远接地。
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  上图中,在每个按钮边上都有电容,是为了减轻按下按钮产生的阶跃信号噪声对播放器的影响。一排一排的电容是为了保证芯片在突发状况下电压稳定。(比如,在某几个连续的时钟周期突然开启了多个外设或者让多个管脚同时输出高电平,而之前这些都是关闭的,就有可能造成瞬时的CPU供电电压过低)。
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  双联步进式电位器,作为音量调节的比例电阻 (对应图上的音量电位器),电位器虽然位于“音频输出接口”的电路板上,但是实际走线是通过连接器只和放大器板连接在一起。只是由于放大器板可以拆卸,所以采取这种设计。
  到这里基本上已经将HM-901的内部设计及芯片介绍完毕,当然,其内部还有几个芯片,也非常重要,但与播放器的主体结构关系已经不大,并且也没有什么特色,所以就不加以介绍了。最后一点是,在HM-901的电路板上有明显的“蛇形布线”,是因为在高速读写时用到的32根数据线到CPU距离必须接近于等长。
  总结:如果您完整的看完了笔者对于HM-901内部电路的介绍,也许您已经可以明白,为啥手机的音质不可能达到很高的水准,类似901这种框图看似简单,但实际电路如此复杂,元件如此之多的家伙,你很难想象还能怎样缩减它的体积。
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