Laptops 101: Diseño de un subsistema de audio para laptops
Introducción
Los altavoces son a menudo una idea de última hora en el gran esquema de cosas con la mayor parte del enfoque en la CPU, la GPU, la RAM, el almacenamiento y la calidad de visualización durante la compra de un portátil. La mayoría de los ordenadores portátiles ofrecen unos altavoces mediocres, sabiendo que los usuarios utilizarán de todos modos auriculares con cable o inalámbricos. Los usuarios exigentes incluso llegan a utilizar un DAC/Amplificador USB dedicado para obtener un sonido mucho más limpio que el que puede proporcionar el audio a bordo.
Varias razones contribuyen al uso de altavoces mediocres en un ordenador portátil, la razón principal es la reducción de costes. Los OEMs tienden a ahorrar los costos de desarrollar buenos altavoces hacia otros componentes que tienden a impactar las decisiones de compra. Las limitaciones de espacio dentro del portátil es también otro factor. En la interminable búsqueda de la delgadez, se hace aún más difícil tener subwoofers robustos y buenos conductores de gama media en un chasis de ordenador portátil medio de hoy en día.
Los lectores de Notebookcheck sabrán que también probamos la firma de sonido en nuestras revisiones para tener una idea de los rangos de frecuencia cubiertos por los altavoces a bordo del portátil. En este artículo, echaremos un vistazo a cómo se diseñan los altavoces para portátiles y cómo funcionan. También analizaremos qué se necesita para ofrecer un buen audio para los audífonos y algunas de las mejoras de software que funcionan en conjunto con el hardware. Para ilustrar estos aspectos, tomamos ejemplos de diseño de sonido en los portátiles para juegos MSI.
Echa un vistazo a nuestros anteriores Laptops 101 temas a continuación:
Diseño de altavoces integrados
Por supuesto, puede utilizar auriculares o altavoces externos para obtener un mejor audio, pero los altavoces integrados siguen siendo una consideración importante a la hora de diseñar un portátil. Factores como el tamaño y la ubicación de las unidades de altavoces, los tipos de altavoces que se pueden acomodar, el diseño del circuito y la respuesta en frecuencia juegan un papel importante en la extracción del mejor audio posible. Veamos brevemente cada uno de ellos.
Decidir el tamaño y la ubicación de los altavoces
La compañía danesa Dynaudio ofrece una de las mejores tecnologías acústicas del mundo para una gran variedad de aplicaciones de audio. Los altavoces diseñados por Dynaudio proporcionan una reproducción de sonido más natural que los convencionales. MSI ha estado trabajando con Dynaudio desde 2009 para elevar la experiencia de audio en sus portátiles de juegos y esta colaboración ayuda a decidir la elección y el posicionamiento de los altavoces durante la fase de diseño en sí.
Dynaudio interviene en una fase muy temprana del proceso de diseño de los altavoces. Como puede ver en la imagen adjunta, el tamaño y las posiciones de los altavoces están incorporados en el plano de diseño. Los factores importantes a la hora de decidir el tamaño y la ubicación de los altavoces incluyen el equilibrio, la resonancia y el alcance de la vibración. Los ingenieros de Dynaudio estudian el posicionamiento de los altavoces y el diseño del circuito y recomiendan los cambios, que se prueban en diseños de prototipos antes de realizar una última llamada para la producción en serie. Un ordenador portátil tiene espacio limitado para que los altavoces empujen el aire, lo que afecta directamente a la respuesta de frecuencia. Por lo tanto, el espacio disponible debe ser utilizado en la mayor medida posible para asegurar una buena salida de audio.
Diseño de altavoces gigantes
Normalmente, la mayoría de los portátiles tienen un altavoz a cada lado. Mientras que algunos de los mejores portátiles pueden reproducir los medios y agudos de una manera aceptable, luchan con las frecuencias bajas. Además, no es fácil incorporar simplemente un woofer en diseños tales como el ya delgado chasis deja poco espacio para que los conos muevan suficiente aire. Así que la única manera de mejorar la fidelidad de audio y obtener una respuesta de frecuencia casi plana es maximizar el área disponible para permitir un par de woofers y dos altavoces.
El diseño de altavoces gigantes de MSI es una de las formas de lograrlo. Como puede ver, el cuarto inferior del espacio interior está dedicado exclusivamente al subsistema de audio. En este diseño, vemos que hay un par de altavoces woofer a cada lado del portátil y ambos están encerrados en cámaras bastante grandes. Esto permite una reproducción de frecuencia más amplia y es una forma de implementación mejor que la que se encuentra en la mayoría de los portátiles convencionales.
Absorción de resonancia
Si se considera que el chasis del portátil es una habitación pequeña, es evidente que existe un gran margen de resonancia y vibración no deseada que puede afectar a la salida. El uso de absorbedores de resonancia puede amortiguar las frecuencias no deseadas con bastante eficacia. En un altavoz típico de un portátil, el material de absorción de resonancia se coloca alrededor del cono del altavoz principal para amortiguar la resonancia tanto como sea posible.
Diseño de circuito de amplificador inteligente
Durante el CES 2015, Texas Instruments demonstró algo llamado Smart Amp. En pocas palabras, lo que hace Smart Amp es que permite que los altavoces emitan más potencia sin dañar el altavoz. La mayoría de los altavoces de los portátiles tienen un tope de 2W, aunque en teoría son capaces de emitir 10W o incluso 30W. Esto se hace deliberadamente para prevenir daños debidos al exceso de corriente que fluye a través de la bobina y para evitar recortar artefactos. Con Smart Amp, es posible filtrar dinámicamente sólo aquellas frecuencias específicas que atraviesan un nivel seguro en lugar de la forma de onda completa.
La implementación del amplificador inteligente de MSI permite hasta 30W de salida de sonido sin dañar los altavoces debido al voltaje y la temperatura adicionales. Estos parámetros pueden ser monitoreados y ajustados en tiempo real y sólo los "picos" potencialmente dañinos son filtrados. Por lo tanto, los altavoces pueden funcionar a mayor potencia sin problemas. En los dispositivos con limitaciones de espacio, como los portátiles, los altavoces con amplificador Smart Amp permiten una amplitud de sonido mucho mayor (volumen) que la que permiten los amplificadores convencionales. Esto significa más potencia para los graves, así como para los medios y los agudos.
Mejora de la respuesta de baja frecuencia
Derivar una respuesta de baja frecuencia adecuada es un reto dadas las limitaciones de un chasis de ordenador portátil típico. Para aliviar este problema, se utilizan radiadores pasivos. Un radiador pasivo es sólo un altavoz sin las tripas. Usted obtiene el cono, la suspensión y el marco sin el aparato electromagnético. La ventaja de usar un radiador pasivo es que ofrece una respuesta de baja frecuencia comparable a un reflejo de graves mucho mayor.
Entonces, ¿cómo ayuda un radiador pasivo a reproducir los efectos audibles de baja frecuencia? Considere el esquema de la derecha en una caja sellada. Cuando el conductor del altavoz se mueve hacia adentro y hacia afuera en respuesta a la entrada, esto afecta la presión de aire dentro del recinto. Cuando se coloca un radiador pasivo delante de este conductor, el movimiento del aire también afecta al movimiento del radiador pasivo. Este movimiento del radiador pasivo crea efectos de baja frecuencia similares a los de un sistema de reflejo de graves.
Los radiadores pasivos se pueden utilizar no sólo en los woofers, sino también en los altavoces de gama media. Son fáciles de diseñar ya que, a diferencia de los tubos de reflejo de bajos, no requieren afinación - sólo necesitan ser diseñados de acuerdo con el controlador del altavoz real. Esto los hace muy efectivos para ser usados en cajas acústicas pequeñas. En las fotos de abajo, puede ver un diseño típico de altavoces para portátiles para las frecuencias medias. Lo que vemos en la parte superior es en realidad el radiador pasivo. El conductor del altavoz real se ve hacia abajo.
La evaluación del rendimiento del radiador pasivo muestra que su respuesta en frecuencia es comparable a la de un microaltavoz típico de 2514/4 cc de dimensiones similares, especialmente en el rango bajo y medio. En el gráfico siguiente, vemos que el microaltavoz de referencia puede emitir una frecuencia muy baja de 100 Hz. La implementación del radiador pasivo se acerca mucho a este valor y también está muy cerca de la frecuencia pico de 1000 Hz.
En nuestra propia revisión del MSI GT76, encontramos que la respuesta en frecuencia es excelente con un alto volumen máximo de 90 dB. Aunque sonaba un poco apagado y podría hacerlo mejor con los graves y los medios, no hay duda de que la GT76 cuenta con un rendimiento impresionante que muy pocos portátiles pueden presumir.
MSI GT76 Titan DT 9SG audio analysis
(+) | speakers can play relatively loud (90 dB)
Bass 100 - 315 Hz
(±) | reduced bass - on average 7.6% lower than median
(±) | linearity of bass is average (11% delta to prev. frequency)
Mids 400 - 2000 Hz
(±) | higher mids - on average 7% higher than median
(±) | linearity of mids is average (7.2% delta to prev. frequency)
Highs 2 - 16 kHz
(+) | balanced highs - only 3.8% away from median
(+) | highs are linear (4.5% delta to prev. frequency)
Overall 100 - 16.000 Hz
(+) | overall sound is linear (13.1% difference to median)
Compared to same class
» 17% of all tested devices in this class were better, 4% similar, 79% worse
» The best had a delta of 6%, average was 18%, worst was 132%
Compared to all devices tested
» 11% of all tested devices were better, 3% similar, 86% worse
» The best had a delta of 4%, average was 25%, worst was 134%
MSI GT75 8RG-090 Titan audio analysis
(+) | speakers can play relatively loud (94 dB)
Bass 100 - 315 Hz
(±) | reduced bass - on average 9.4% lower than median
(±) | linearity of bass is average (8.7% delta to prev. frequency)
Mids 400 - 2000 Hz
(±) | higher mids - on average 6.8% higher than median
(±) | linearity of mids is average (8.4% delta to prev. frequency)
Highs 2 - 16 kHz
(±) | higher highs - on average 5% higher than median
(±) | linearity of highs is average (7.8% delta to prev. frequency)
Overall 100 - 16.000 Hz
(+) | overall sound is linear (14.4% difference to median)
Compared to same class
» 25% of all tested devices in this class were better, 7% similar, 68% worse
» The best had a delta of 6%, average was 18%, worst was 132%
Compared to all devices tested
» 16% of all tested devices were better, 4% similar, 81% worse
» The best had a delta of 4%, average was 25%, worst was 134%
Diseño de audio para auriculares
Mientras que el audio mejorado a través de los altavoces integrados es algo bueno, la mayoría de los usuarios inevitablemente utilizan auriculares para disfrutar de una experiencia de juego envolvente. Por lo tanto, los componentes que intervienen en el audio de los auriculares deben ser de alta calidad para obtener una alta relación señal/ruido (SNR) y un buen rendimiento para la comunicación de voz.
La clave para una SNR alta
Discernir a los audiófilos atestiguaría la importancia de tener un buen diseño de circuito para la salida de audio de alta resolución. Un buen diseño de circuito asegura una pérdida mínima de señal y menos ruido estático para una experiencia auditiva mucho mejorada. Mucho entra en el diseño real del PCB también.
El diseño de la placa de circuito impreso es un aspecto muy crítico del diseño de los componentes de audio de los auriculares y ayuda a dedicar más tiempo a garantizar que se consiga un buen encaminamiento eléctrico dentro de un espacio limitado. Mientras que factores como la pila, el tamaño y los componentes de la placa de circuito impreso son variables importantes, la clave para un buen rendimiento del audio chip, como con cualquier placa de circuito impreso, es el plano de tierra. Para aquellos que no lo saben, un plano de tierra en una placa de circuito impreso conecta la placa a la toma de tierra de la fuente de alimentación. La forma en que los componentes analógicos y digitales de la placa se encaminan a la placa de tierra puede marcar la diferencia en la calidad de audio, ya que un enrutamiento adecuado reduce la interferencia electromagnética y suprime la diafonía.
Aunque aquí no vamos a entrar en los detalles de fondo, se considera buena práctica no dividir los planos de tierra en placas de circuito impreso de señales mixtas, algo que MSI también está de acuerdo. MSI dice que su evaluación mostró que dividir los planos de tierra entre componentes analógicos y digitales en el PCB no es realmente beneficioso y que recomiendan usar sólo un plano de tierra para ambos componentes para simplificar el diseño del PCB. Además, el número de trazas a través de la placa de masa debe ser el mínimo posible y no deben bloquear la "línea de visión" desde la salida del audio chip hasta el op-amp para reducir la distorsión armónica total (THD).
Voiceboost
Los juegos multijugador se vuelven más divertidos cuando se coordinan por voz con otros miembros del equipo. En una configuración convencional, las voces de los jugadores pueden ahogarse en medio de la cacofonía de sonidos en el juego, lo que puede resultar una desventaja estratégica. Voiceboost pretende paliar este problema detectando y priorizando la voz sobre otros sonidos de aplicaciones y juegos. Por lo tanto, los miembros del equipo podrán escucharse claramente y planificar la siguiente maniobra táctica. Voiceboost puede configurarse directamente desde el software MSI Dragon Center.
Mejoras de software
Hasta ahora, hemos visto lo que hay que tener en cuenta para decidir el tipo de altavoces, su ubicación y cómo se diseña el circuito de audio para maximizar el rendimiento de audio de los auriculares. El hardware de calidad debe estar respaldado por un software igualmente competente y aquí es donde entran en juego soluciones de audio como Nahimic. En esta sección, veremos brevemente cómo Nahimic mejora la experiencia de audio general en su configuración de altavoces o auriculares existente.
Cancelación de ruido
La entrega de buenos algoritmos de cancelación de ruido es una parte integral del diseño de los auriculares. En comparación con otras soluciones de procesamiento de audio por software, como Dolby Digital o Creative SoundBlaster Cinema, Nahimic ofrece una capacidad mejorada para añadir funciones como controles de nivel de voz, ajuste de puertas de ruido, reducción de ruido y formación de haces. Así que incluso si estás en medio de un juego de acción de alto ritmo, Nahimic puede distinguir tu voz del ruido de fondo, como explosiones o rugidos de motores. El software se ajusta simulando entornos específicos en un laboratorio y se ajusta para obtener una alta precisión en la cancelación del ruido.
N-Force 7.1-canal virtual surround
La mayoría de los juegos (y software multimedia) utilizan la configuración de sonido predeterminada de Windows para ofrecer audio. Esto significa que si tiene un auricular estéreo y está configurado para Windows, el audio multicanal se mezclará con canales estéreo y perderá información de sonido espacial como, por ejemplo, un enemigo que se cuela por detrás de usted.
Para evitar este problema, Nahimic utiliza una tecnología patentada llamada N-Force. N-Force engaña al juego para que crea que un dispositivo de audio de 7.1 canales está conectado, de modo que el motor del juego puede proporcionar todos los canales codificados sin que se mezclen en estéreo. N-Force entonces alimenta esta información de sonido a los algoritmos de la Función de Transferencia Relacionada con la Cabeza (HRTF) de Nahimic que pueden determinar la posición del sonido y también añadir efectos 3D adicionales que resultan en una experiencia de inmersión general. Con Nahimic, los jugadores pueden hacer conjeturas para estimar la posición del enemigo y ser capaces de medir la posición relativa de varios sonidos en el juego.
Ampliación estéreo
Nahimic también ofrece capacidades de ampliación estéreo para una experiencia musical y cinematográfica más atractiva. Tradicionalmente, tanto en los altavoces internos como en los externos, el sonido se dirige directamente al oyente y cubre una envolvente de 60° alrededor de la cabeza. Aplicando un efecto de cancelación de diafonía, es posible separar más la información de los canales izquierdo y derecho y utilizando filtros transaurales patentados, es posible ampliar el efecto estéreo de 60° a 180°.
Mientras que los filtros transaurales ayudan a ampliar el efecto estéreo, los filtros binaurales ayudan a recrear el canal central -donde la mayoría de los diálogos están codificados en una configuración multicanal- y separan espacialmente los canales estéreo derecho e izquierdo hacia afuera. Esto crea un efecto de inmersión similar al de una configuración de altavoces 3.0.
Mezcla estéreo
Los expertos en cine prefieren una configuración multicanal nativa mediante altavoces de 5.1 o 7.1 canales en lugar de los auriculares convencionales. 5.1 audio codificado en DTS o Dolby Digital se ve comúnmente en DVDs y discos Blu-ray. Una configuración 5.1 puede ofrecer un posicionamiento de audio adecuado. Por ejemplo, los diálogos suelen pertenecer al centro, mientras que los canales izquierdo y derecho llevan la pista principal. Los canales traseros suelen reproducir sonidos secundarios como ruidos de multitudes, personas que hablan detrás del personaje o disparos por detrás.
Sin embargo, estos sistemas están infrautilizados cuando la fuente es sólo un flujo estéreo. Nahimic ofrece la posibilidad de mezclar estéreo en canales 5.1 analizando la fuente y separando los elementos de audio en función de sus propiedades. Hay algunas limitaciones y la salida no siempre es tan precisa como la codificación nativa 5.1. Dicho esto, la mezcla ascendente estéreo es especialmente útil cuando se escucha música y películas codificadas en estéreo utilizando una configuración de 5.1 canales.
Interfaz de usuario fácil de usar
Una interfaz de usuario intuitiva (UI) ayuda a utilizar mejor todas las poderosas herramientas que Nahimic ofrece sin tener que vadear un laberinto de opciones. La última interfaz de usuario de Nahimic está hecha por jugadores para jugadores teniendo en cuenta sus necesidades. Con Window 10 1809 en adelante, Microsoft ha introducido una nueva plataforma de controladores llamada Declarative Componentized Hardware (DCH) drivers que funcionan mejor con la plataforma Windows UWP. Nahimic es compatible con la nueva plataforma UWP, por lo que se beneficia de las actualizaciones automáticas y de la compatibilidad probada en una amplia gama de modelos de portátiles.
Los controles de la nueva interfaz de usuario son fácilmente accesibles junto con algunas características ingeniosas como la supresión del ruido estático, una función patentada de rastreo de sonido y un estabilizador de voz. El estabilizador de voz ayuda a mantener los mismos niveles de voz independientemente de la distancia desde el micrófono. También hay un modo nocturno dedicado para reducir la salida en 10 dB para que no moleste a los que le rodean durante las sesiones de juego nocturnas.
Conclusión
En este artículo, hemos hablado de lo que implica el diseño de un subsistema de audio capaz desde la electrónica subyacente hasta la experiencia del software. De la discusión anterior, una cosa está bastante clara: no es una tarea trivial alojar componentes de audio de calidad en un chasis de ordenador portátil delgado, y requiere varios niveles de coordinación entre todas las partes interesadas, desde los proveedores de componentes hasta el usuario final. Una selección incorrecta de las piezas y un ajuste impreciso pueden arruinar la experiencia de audio y alejar a los usuarios del portátil. Aunque la mayoría de los usuarios de portátiles prefieren utilizar auriculares o altavoces externos, la atención a la calidad de los altavoces a bordo es igualmente importante.
Esperamos que este manual sobre diseño de audio para portátiles haya sido útil para aclarar algunos de los conceptos sobre este importante aspecto de la compra de portátiles. Vea este espacio para los próximos temas de laptop 101, incluyendo lo que se necesita para determinar la precisión de la pantalla LCD, el diseño del panel táctil y mucho más.
Además de esta cuidadosa adaptación de los componentes, se garantiza que los últimos gráficos de GeForce RTX Turing ocupen un lugar central en los portátiles MSI. Ya sea jugando a juegos de éxito como Battlefield V con trazado de rayos para obtener la mejor calidad de imagen o trabajando con aplicaciones creativas como Autodesk 3DS Max, Adobe Premiere Pro y Lightroom o DaVinci Resolve, los portátiles RTX son verdaderos "caballos de batalla" para profesionales, estudiantes y jugadores. Combinan perfectamente el ocio y el trabajo.
