Laptops 101: Designing a capable laptop audio subsystem

By Notebookcheck |
Para tu placer auditivo. A diferencia de los PC de sobremesa, los fabricantes de ordenadores deben considerar tanto la calidad de audio de los altavoces integrados como de los auriculares cuando se trata de portátiles. En este artículo, analizaremos varios aspectos del diseño de audio de los altavoces portátiles y auriculares, incluidas las consideraciones físicas y eléctricas, junto con las mejoras de software que ayudan a elevar la experiencia auditiva. Nuestro objetivo es ilustrar estos conceptos tomando como ejemplo el diseño de audio en los portátiles MSI. (Artículo patrocinado)
 
GE75 Raider 9SG
Ubicación de woofer y altavoz de rango medio en el MSI GE75 Raider 9SG.

Introduction

Los altavoces suele ser una de las características más abajo en la lista de cosas para decantarnos por la compra de un portátil, el mayor punto de atención son CPU, GPU, RAM, almacenamiento y calidad de visual. La mayoría de los fabricantes de portátiles ofrecen unos altavoces mediocres, sabiendo que los usuarios utilizarán auriculares con cable o inalámbricos. Los usuarios exigentes incluso llegan al extremo de usar un DAC/amplificador USB dedicado para obtener un sonido mucho más limpio que el que puede proporcionar el audio integrado.
 
Varias razones contribuyen al uso de altavoces mediocres en un portátil, la razón principal es la reducción de costes. Los OEM tienden a ahorrar en los costes de desarrollo buenos altavoces para otros componentes que tienden a afectar las decisiones de compra. La limitación de espacio dentro de un portátil también es otro factor. En la búsqueda interminable de la delgadez, se vuelve aún más difícil tener subwoofers fuertes y buenos controladores de rango medio en un chasis portátil actual promedio.
 
Los lectores de Notebookcheck sabrán que también probamos el sonido en nuestras pruebas de estrés para tener una idea sobre los rangos de frecuencia cubiertos por los altavoces integrados de nuestros portátil. En este artículo, analizaremos cómo están diseñados los altavoces de los portátiles y cómo funcionan. También analizaremos qué implica tener un buen audio de auriculares y algunas de los mejoras de software que funcionan en conjunto con el hardware.
 
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Diseño de los altavoces integrados

Puedes utilizar auriculares o altavoces externos para obtener un mejor audio, pero los altavoces integrados siguen siendo una consideración importante durante el diseño de un portátil. Factores como el tamaño y la ubicación de las unidades de altavoces, los tipos de altavoces que se pueden colocar, el diseño del circuito y la respuesta de frecuencia juegan un papel importante en la extracción del mejor audio posible. Echemos un breve vistazo a cada uno de ellos.
 

Decidiendo sobre el altavoz y su localización

La compañía danesa Dynaudio ofrece algunas de las mejores tecnologías acústicas del mundo para una gran variedad de aplicaciones de sonido. 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 gaming y esta colaboración ayuda a decidir la elección y el posicionamiento de los altavoces durante la etapa de diseño.
 
Deciding on speaker size and placement
El tamaño y la ubicación del altavoz se deciden en la etapa de diseño en sí. (Imagen cortesía de: MSI)
 
Dynaudio colabora en una etapa muy temprana del proceso de diseño de los altavoces. Como puede ver en la imagen adjunta, el tamaño y las posiciones de los altavoces se incorporan al plano de diseño. Los factores importantes que se deben considerar al decidir sobre el tamaño y la ubicación de los altavoces incluyen el equilibrio, la resonancia y el alcance de la vibración. Los ingenieros de Dynaudio examinan el posicionamiento de los altavoces y el diseño del circuito, y recomiendan cambios, que se prueban en los diseños de prototipos antes de realizar una llamada final para la producción en masa. Una computadora portátil tiene espacio limitado para que los altavoces empujen el aire, lo que afecta directamente la respuesta de frecuencia. Por lo tanto, el espacio disponible debe utilizarse en la mayor medida posible para garantizar una buena salida de audio.
 

Diseño: Giant Speaker

Por lo general, la mayoría de los portátiles tienen un altavoz hacia cada lado. Si bien algunos de los mejores portátiles pueden reproducir los medios y agudos de una manera aceptable, luchan con bajas frecuencias. Además, no es fácil incorporar simplemente un woofer en tales diseños, ya que el chasis delgado no deja mucho espacio. Entonces, la única forma de mejorar la fidelidad de audio es maximizar el área disponible para permitir un par de woofers y dos altavoces.
 
Giant Speaker Design
El diseño de altavoz gigante permite una buena reproducción de frecuencias bajas y altas. (Imagen cortesía de: MSI)
 
El diseño de Giant Speakers de MSI es una de las formas en que esto se logra. Como puedes ver, el cuarto inferior del espacio interior está dedicado exclusivamente al subsistema de audio. En este diseño, vemos que hay un par de woofer-altavoz a cada lado del portátil y ambos están encerrados en cámaras bastante grandes.

 

Resonance absorption
Absorción de resonancia

Si te fijas que el  interior del chasis de un portátil es realmente pequeño, obviamente hay muchas posibilidades de resonancia y vibración no deseadas que pueden afectar la salida de sonido. El uso de absorbedores de resonancia puede amortiguar las frecuencias no deseadas de manera bastante efectiva. En un altavoz portátil típico, el material de absorción de resonancia se coloca alrededor del cono del altavoz principal para amortiguar la resonancia tanto como sea posible.

Diseño del circuito Smart Amp

En el CES 2015, Texas Instruments demostró algo llamado Smart Amp. En pocas palabras, lo que hace Smart Amp es que permite que los altavoces generen más potencia sin dañarlos. La mayoría de los altavoces portátiles tienen un límite de 2 W, aunque en teoría son capaces de producir 10 W o incluso 30 W. Esto se hace deliberadamente para evitar daños debido al exceso de corriente que fluye a través de la bobina y para evitar artefactos de recorte. Con Smart Amp, es posible filtrar dinámicamente solo ese conjunto específico de frecuencias que cruzan un nivel seguro en lugar de toda la forma de onda.
 
La implementación de Smart Amp de MSI permite hasta 30 W de salida de sonido sin daños en los altavoces debido a voltaje y temperatura adicionales. Estos parámetros se pueden monitorear y ajustar en tiempo real y solo se filtran los "picos" potencialmente dañinos. Por lo tanto, los altavoces pueden funcionar a mayor potencia sin problemas. En dispositivos con espacio limitado, como los portátiles, los altavoces con amplificador inteligente permiten una amplitud de sonido (volumen) mucho mayor que la que permiten los amplificadores convencionales. Esto significa más potencia para graves, así como para medios y agudos.
Smart Amp Circuit Design
Smart Amp vs a conventional amplifier. (Image courtesy: MSI)
 

Mejorando la respuesta de baja frecuencia

Obtener una respuesta de baja frecuencia adecuada es un desafío, dadas las limitaciones de un chasis típico de computadora portátil. Para aliviar este problema, se utilizan radiadores pasivos. Un radiador pasivo es solo un altavoz sin las entrañas. Obtienes 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 más grande.
Schematic of a passive radiator
Schematic of a passive radiator. (Source: Center Point Audio)
 

Entonces, ¿cómo ayuda un radiador pasivo a reproducir efectos audibles de baja frecuencia? Considere el esquema de la derecha en un recinto cerrado. Cuando el controlador del altavoz real se mueve hacia adentro y hacia afuera en respuesta a la entrada, afecta la presión de aire dentro del gabinete. Cuando se coloca un radiador pasivo frente a este controlador, el movimiento del aire también afecta el movimiento del radiador pasivo. Este movimiento del radiador pasivo crea efectos de baja frecuencia similares a los que hace un sistema bass reflex.

Los radiadores pasivos se pueden usar no solo en woofers sino también en altavoces de rango medio. Son fáciles de diseñar ya que, a diferencia de los tubos bass reflex, no requieren afinación, solo deben diseñarse de acuerdo con el controlador de altavoz real. Esto los hace muy efectivos para su uso en pequeñas cajas de altavoces. En las fotos a continuación, puede ver un diseño típico de altavoz portátil para las frecuencias de rango medio. Lo que vemos en la parte superior es en realidad el radiador pasivo. El controlador del altavoz real se ve hacia abajo.

Mid-range frequency laptop speaker

Mid-range frequency laptop speaker - top. (Image source: MSI)

Mid-range frequency laptop speaker - bottom

Mid-range frequency laptop speaker - bottom. (Image source: MSI)

 
La evaluación del rendimiento del radiador pasivo muestra que su respuesta de frecuencia es comparable a un microparlante típico de 2514/4 cc de dimensiones similares, especialmente en el rango bajo y medio. En el gráfico a continuación, vemos que el microparlante 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.
 
Passive radiator (green) and reference micro-speaker
Passive radiator (green) and reference micro-speaker (red) frequency response comparison. (Image source: MSI)

 

En nuestra propia review del MSI GT76, encontramos que la respuesta de frecuencia es excelente con un alto volumen máximo de 90 dB. Aunque sonaba un poco apagado y podría mejorar con los bajos y medios, no hay duda de que el GT76 cuenta con un rendimiento impresionante que muy pocos portátiles pueden decir.
 
Frequency diagram
Frequency diagram (checkboxes can be checked and unchecked to compare devices)

 

Diseño de audio para auriculares

Si bien es bueno tener audio mejorado a través de los altavoces integrados, la mayoría de los usuarios inevitablemente usan auriculares para una experiencia de juego inmersiva. Por lo tanto, los componentes involucrados 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 un alto SNR

Los audiófilos exigentes darían fe de la importancia de tener un buen diseño de circuito para la salida de audio de alta resolución. Un buen diseño de circuito garantiza una pérdida de señal mínima y menos ruido estático para una experiencia auditiva mejorada. Mucho entra también en el diseño real de PCB.

El diseño de la PCB es un aspecto muy crítico del diseño de los componentes de audio de los auriculares y ayuda a pasar el tiempo extra para garantizar que se logre un buen enrutamiento eléctrico dentro del espacio limitado. Si bien factores como la pila de PCB, el tamaño y los componentes integrados son variables importantes, la clave para un buen rendimiento del chip de audio, como con cualquier PCB, es el plano de tierra. Para aquellos que no lo saben, un plano de tierra en una PCB conecta la placa a la tierra de la fuente de alimentación. La forma en que los componentes analógicos y digitales de la placa se enrutan al plano de tierra puede marcar la diferencia en la calidad del audio, ya que el enrutamiento adecuado reduce la interferencia electromagnética y suprime la diafonía.

 
Proper PCB layout is essential for quality audio output
Proper PCB layout is essential for quality audio output. (Image source: MSI)
 

Si bien no vamos a entrar en detalles minuciosos aquí, se considera una buena práctica no dividir planos de tierra en PCB de señal mixta, algo con lo que MSI también está de acuerdo. MSI dice que su evaluación mostró que dividir los planos de tierra entre los componentes analógicos y digitales en la PCB no es realmente beneficioso, y que la compañía recomienda usar solo un plano de tierra para ambos componentes para simplificar el diseño de la PCB. Además, el número de trazas a través del plano de tierra debe ser lo más mínimo posible y no deben bloquear la "línea de visión" desde la salida del chip de audio al amplificador operacional para reducir la distorsión armónica total (THD).

 

  • Además del plano de tierra, varias otras medidas también ayudan a obtener una salida de audio mucho más limpia. Éstos incluyen:
  • Conexiones a tierra cortas sin vías compartidas.
  • Mantener las rutas de retroalimentación del amplificador operacional lo más cerca posible del amplificador operacional.
  • Asegurarse de que cada amplificador operacional y chip de audio tenga capacidad de desacoplamiento en su fuente de alimentación justo al lado de los pines de la fuente de alimentación.
  • Ruta de audio corta y limpia entre el chip de audio y la etapa del amplificador operacional (la ruta de audio después del amplificador operacional no es tan crítica).
  • Separación de circuitos digitales de circuitos analógicos.
  • Uso de conectores de audio chapados en oro para minimizar la pérdida de señal.


Voiceboost

Voiceboost settings in MSI Dragon Center
Voiceboost settings in MSI Dragon Center. (Image source: MSI)

 
Los juegos multijugador se vuelven aún más divertidos cuando se coordina la voz con otros miembros del equipo. En una configuración convencional, las voces de los jugadores pueden ahogarse en medio de la cacofonía de los sonidos del juego, lo que puede ser una desventaja estratégica. Voiceboost tiene como objetivo aliviar este problema detectando y priorizando la voz sobre otras aplicaciones y sonidos de juegos. Por lo tanto, los miembros del equipo podrán escucharse claramente y planificar la próxima maniobra táctica. Voiceboost se puede configurar directamente desde el software MSI Dragon Center.

Mejoras de software

Hasta ahora, hemos visto lo que implica decidir el tipo de altavoces, su ubicación y cómo se diseñan los circuitos de audio para maximizar el rendimiento de audio de los auriculares. El hardware de calidad debe ser respaldado por un software igualmente competente y aquí es donde entran en juego las soluciones de audio como Nahimic. En esta sección, veremos brevemente cómo Nahimic mejora la experiencia de audio general en la configuración de sus altavoces o auriculares existentes.

Cancelación de sonido

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 de software como Dolby Digital o Creative SoundBlaster Cinema, Nahimic ofrece una capacidad mejorada para agregar funciones como controles de nivel de voz, ajuste de puerta de ruido, reducción de ruido y formación de haces. Entonces, incluso si estás en medio de un juego de acción de alto ritmo, Nahimic puede discernir tu voz del ruido de fondo, como explosiones o rugidos del motor. El software se ajusta simulando entornos específicos en un laboratorio y se ajusta para una alta precisión en la cancelación de ruido.
 
Audio simulation for noise cancellation development

Audio simulation for noise cancellation development. (Image source: MSI)

Audio simulation for noise cancellation development

Audio simulation for noise cancellation development. (Image source: MSI)

Nahimic microphone UI

Nahimic microphone UI. (Image source: MSI)

N-Force 7.1-channel virtual surround

La mayoría de los juegos (y software multimedia) usan la configuración de sonido predeterminada de Windows para entregar audio. Eso significa que si tiene un auricular estéreo y está configurado de manera que en Windows, el audio multicanal se mezclará en canales estéreo y perderá información de sonido espacial como un enemigo que se esconde detrás de usted, por ejemplo.

Para evitar este problema, Nahimic utiliza una tecnología patentada llamada N-Force. N-Force engaña al juego haciéndole creer que un dispositivo de audio de 7.1 canales está conectado para que el motor del juego pueda proporcionar todos los canales codificados sin mezclarlos en estéreo. N-Force luego alimenta esta información de sonido a los algoritmos de la Función de transferencia relacionada con la cabeza (HRTF) de Nahimic que pueden determinar el posicionamiento del sonido y también agregar efectos 3D adicionales, lo que resulta en una experiencia inmersiva general. Con Nahimic, los jugadores pueden eliminar las conjeturas al estimar el posicionamiento del enemigo y pueden medir la posición relativa de varios sonidos en el juego.

Nahimic

Without Nahimic, the game engine delivers only 2-channel stereo as configured in Windows. (Slide courtesy: MSI)

7.1-channel

Nahimic tricks the game engine into offering complete 7.1-channel audio. (Slide courtesy: MSI)

Nahimic 3D Audio

Benefits of Nahimic 3D Audio. (Slide courtesy: MSI)


Stereo widening

Nahimic también ofrece capacidades de ampliación estéreo para una experiencia musical y cinematográfica más atractiva. Tradicionalmente, tanto en los altavoces internos como externos, el sonido está dirigido directamente al oyente y cubre una envoltura de 60 ° alrededor de la cabeza. Al aplicar un efecto de cancelación de diafonía, es posible separar aún más la información de los canales izquierdo y derecho, y al usar 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 inmersivo similar a una configuración de altavoces 3.0.

A crosstalk cancellation effect is applied to fully separate L and R channels

A crosstalk cancellation effect is applied to fully separate L and R channels. (Slide courtesy: MSI)

Transaural virtualization enables stereo widening

Transaural virtualization enables stereo widening. (Slide courtesy: MSI)

Binaural virtualization recreates a center channel simulating a 3.0 setup

Binaural virtualization recreates a center channel simulating a 3.0 setup. (Slide courtesy: MSI)

 

Stereo up-mix

Los conocedores de películas preferirán una configuración nativa multicanal a través de altavoces de 5.1 o 7.1 canales en lugar de auriculares convencionales. El audio 5.1 codificado en DTS o Dolby Digital se ve comúnmente en DVD y discos Blu-ray. Una configuración 5.1 puede ofrecer un posicionamiento de audio adecuado. Por ejemplo, los diálogos generalmente pertenecen al centro, mientras que los canales izquierdo y derecho llevan la pista principal. Los canales traseros generalmente reproducen sonidos secundarios como ruidos de multitudes, personas que hablan detrás del personaje o disparos desde atrás.
Sin embargo, estos sistemas se infrautilizan cuando la fuente es solo una transmisión estéreo. Nahimic ofrece la capacidad de mezclar estéreo en canales 5.1 analizando la fuente y separando los elementos de audio en función de sus propiedades. Esto tiene algunas limitaciones y la salida no siempre es tan precisa como una codificación 5.1 nativa. Dicho esto, la mezcla estéreo ascendente es especialmente útil cuando se escucha música y películas codificadas en estéreo utilizando una configuración de 5.1 canales.
Nahimic can read the incoming stereo source and extract each component

Nahimic can read the incoming stereo source and extract each component. (Slide courtesy: MSI)

It then splits the components into respective feeds for each channel

It then splits the components into respective feeds for each channel. (Slide courtesy: MSI)

 

Una interfaz intuitiva

Una interfaz de usuario (UI) intuitiva ayuda a utilizar mejor todas las herramientas poderosas que Nahimic ofrece sin tener que atravesar un laberinto de opciones. La última interfaz de usuario Nahimic está hecha por jugadores para jugadores teniendo en cuenta sus requisitos. Con Windows 10 1809 en adelante, Microsoft ha introducido una nueva plataforma de controladores llamada controladores de hardware declarativo por componentes (DCH) que funcionan mejor con la plataforma Windows UWP. Nahimic es compatible con la nueva plataforma UWP, por lo que se beneficia de obtener actualizaciones automáticas y compatibilidad probada en una amplia gama de modelos de  portátiles.
Los controles en la nueva interfaz de usuario son fácilmente accesibles junto con algunas características ingeniosas, como la supresión de ruido estático, una función patentada de seguimiento de sonido y un estabilizador de voz. El estabilizador de voz ayuda a mantener los mismos niveles de voz independientemente de su distancia del micrófono. También hay un modo nocturno dedicado para reducir la salida en 10 dB para que no molestes a los que te rodean durante esas sesiones de juego nocturnas.
Microsoft UWP compliantt

Nahimic is now completely redesigned and is Microsoft UWP compliant. (Slide courtesy: MSI)

The UI is intuitive and is easily understandable

The UI is intuitive and is easily understandable. (Slide courtesy: MSI)

Users can control the extent of background noise suppression.

Users can control the extent of background noise suppression. (Slide courtesy: MSI)

Sound Tracker helps track spatial sound positioning.

Sound Tracker helps track spatial sound positioning. (Slide courtesy: MSI)

audio information

Voice Stabilizer ensures a constant voice level irrespective of your position from the microphone. (Slide courtesy: MSI)

audio information

Night Mode reduces output without sacrificing audio information. (Slide courtesy: MSI)


Conclusión

En este artículo, hemos tocado lo que implica diseñar un subsistema de audio capaz, desde la electrónica subyacente hasta la experiencia del software. De la discusión anterior, una cosa es bastante clara: no es una tarea trivial alojar componentes de audio de calidad en un delgado chasis de computadora portátil, y requiere varios niveles de coordinación entre todas las partes interesadas, desde los proveedores de componentes hasta el usuario final. Una selección incorrecta de 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 usar auriculares o altavoces externos, la atención a la calidad de los altavoces integrados es igualmente importante.
RTX logo

Esperamos que este manual sobre el diseño de audio de la computadora portátil haya sido útil para aclarar algunos de los conceptos sobre este importante aspecto de la compra de una computadora portátil. Mire este espacio para conocer los próximos temas de la computadora portátil 101, que incluyen lo que implica determinar la precisión del panel LCD, el diseño del panel táctil y más.

Además de esta cuidadosa combinación de componentes, se garantiza que los últimos gráficos GeForce RTX Turing estén en el centro de los portátiles MSI. Ya sea jugando juegos de gran 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, las laptops RTX son verdaderos "caballos de batalla" para profesionales, estudiantes y jugadores. Son perfectos para combinar ocio y trabajo.

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