Analog Audio Circuitry

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Analog circuit design remains an enigmatic discipline that has, to date, evaded the expansive reach of ChatGPT and similar technologies. It's therefore not entirely surprising that analog circuits represent the most overlooked element of arcade PCBs (Printed Circuit Boards). Yet, digital-to-analog conversion is essential for producing video and audio outputs. We have incorporated universal support within JTFRAME (the framework for JT cores) to define the analog audio signal pathway. This enhancement addresses several key areas:

• Specification of analog properties, such as output impedance and peak-to-peak signal range for sound chips.
• Association of first and second-order analog (RC) filters with each channel.
• Support for arcade games that modify filter parameters.
• Implementation of arbitrary FIR (Finite Impulse Response) filters to emulate analog filter responses beyond simple RC configurations.
• Linkage of each analog channel to its respective resistor in the analog adder, enabling volume determination based on this association.
• Provision for a universal RC filter applicable to all channels.
• Introduction of an antialias filter at 20kHz, utilizing a 192kHz sample rate to ensure cleaner audio at 48kHz for devices like the MiSTer and Analogue Pocket.
• Additionally, we've conducted a thorough analysis of the audio signal pathways for all arcade PCBs supported by JT cores. Contributions from Skutis and @docteurpcb, who supplied missing schematics, were invaluable. The insights gained from this analysis have been integrated into the cores to facilitate the aforementioned capabilities.

What benefits does this offer?

• Enhanced balance among all instruments and sound effects, ensuring fidelity to the original compositions.
• PCM audio that remains as crisp—or as gritty—as the original recordings.
• Introduction of "new instruments" through programmatically applied filters by some games to modify the attack and decay of notes, thereby altering the timbre.
• Elimination of aliasing noise that typically arises from 48kHz re-sampling.

However, there are a few limitations to note:

• CPS1.5 and CPS2 systems remain unaffected. Their QSound filters, designed for spatial audio, would necessitate a bespoke implementation. Achieving the intended spatial sound effect would require precise speaker placement within an arcade cabinet—a requirement we're currently evaluating for feasibility.
• Absent schematics for certain games, such as Tokio or GunSmoke, compel us to make educated assumptions. For example, we're treating GunSmoke's audio signal pathway as analogous to that of Ghosts'n Goblins.
• Updates to some multi-game cores (e.g., JT1942, JTSIMSON) are pending completion.
• Instances of suboptimal circuitry in certain games, like Double Dragon, can be mitigated through optional enhancements, such as enabling an antialiasing filter for PCM voices via the DIP switch menu. This filter, not present in the original system, is offered as an elective feature to preserve authenticity.
• Given the extensive nature of these modifications, errors may occur. We encourage reporting any discrepancies, supported by PCB recordings or other forms of verification.
• While we have established a comprehensive framework, our work continues as we delve into the nuanced analog characteristics of various sound generators found in arcade games. Our ongoing efforts aim to model the distinct sound compression observed across different connections of PSG channels in YM2203/AY-3-8910/YM2149 chips—a task yet to be accomplished.

This initiative sets a new benchmark for sound accuracy in retro gaming. Future cores will benefit from these enhancements from the outset. We appreciate your support for this development.

PS: Bubble Bobble for Pocket is now available to the public. Additionally, MX5000 has entered beta testing for Pocket.

Español

El diseño de circuitos analógicos sigue siendo una disciplina enigmática que, hasta la fecha, ha eludido el amplio alcance de ChatGPT y tecnologías similares. Por tanto, no es del todo sorprendente que los circuitos analógicos representen el elemento más ignorado de las placas de circuito impreso de arcade. Sin embargo, la conversión de digital a analógico es esencial para producir salidas de vídeo y audio. Hemos incorporado soporte universal dentro de JTFRAME (el marco para los núcleos JT) para definir la ruta de la señal de audio analógica. Esta mejora aborda varias áreas clave:

• Especificación de propiedades analógicas, como impedancia de salida y rango de señal pico a pico para chips de sonido.
• Asociación de filtros analógicos (RC) de primer y segundo orden con cada canal.
• Soporte para juegos arcade que modifican los parámetros de los filtros.
• Implementación de filtros FIR (Finite Impulse Response) arbitrarios para emular las respuestas de los filtros analógicos más allá de las simples configuraciones RC.
• Vinculación de cada canal analógico a su resistencia respectiva en el sumador analógico, lo que permite determinar el volumen en función de esta asociación.
• Disposición de un filtro RC universal aplicable a todos los canales.
• Introducción de un filtro antialias a 20 kHz, utilizando una frecuencia de muestreo de 192 kHz para garantizar un audio más limpio a 48 kHz para dispositivos como el MiSTer y el Analogue Pocket.
• Además, hemos realizado un análisis exhaustivo de las vías de señal de audio para todas las PCB arcade compatibles con los núcleos JT. Las contribuciones de Skutis y @docteurpcb, que proporcionaron los esquemas que faltaban, han sido inestimables. La información obtenida de este análisis se ha integrado en los núcleos para facilitar las funciones mencionadas.

¿Qué ventajas ofrece esto?

• Mayor equilibrio entre todos los instrumentos y efectos de sonido, lo que garantiza la fidelidad a las composiciones originales.
• Audio PCM que sigue siendo tan nítido -o tan arenoso- como las grabaciones originales.
• Introducción de "nuevos instrumentos" mediante filtros aplicados programáticamente por algunos juegos para modificar el ataque y el decaimiento de las notas, alterando así el timbre.
• Eliminación del ruido de aliasing que suele producirse en el remuestreo a 48 kHz.

Sin embargo, hay que tener en cuenta algunas limitaciones:

• Los sistemas CPS1.5 y CPS2 no se ven afectados. Sus filtros QSound, diseñados para audio espacial, requerirían una implementación a medida. Para conseguir el efecto de sonido espacial deseado, sería necesario colocar los altavoces con precisión dentro de un mueble arcade, un requisito cuya viabilidad estamos evaluando actualmente.
• La ausencia de esquemas de algunos juegos, como Tokio o GunSmoke, nos obliga a hacer suposiciones. Por ejemplo, consideramos que la ruta de la señal de audio de GunSmoke es análoga a la de Ghosts'n Goblins.
• Las actualizaciones de algunos núcleos multijuego (por ejemplo, JT1942, JTSIMSON) están pendientes de finalización.
• Los casos de circuitos subóptimos en determinados juegos, como Double Dragon, pueden mitigarse mediante mejoras opcionales, como la activación de un filtro antialiasing para voces PCM a través del menú de interruptores DIP. Este filtro, que no estaba presente en el sistema original, se ofrece como función opcional para preservar la autenticidad.
• Dada la naturaleza extensiva de estas modificaciones, pueden producirse errores. Le animamos a que nos informe de cualquier discrepancia, respaldada por grabaciones de PCB u otras formas de verificación.
• Aunque hemos establecido un marco exhaustivo, nuestro trabajo continúa profundizando en las matizadas características analógicas de varios generadores de sonido que se encuentran en los juegos arcade. Nuestro objetivo es modelar la distinta compresión del sonido observada en las diferentes conexiones de los canales PSG de los chips YM2203/AY-3-8910/YM2149, una tarea aún por realizar.

Esta iniciativa marca un nuevo hito en la precisión del sonido en los juegos retro. Los futuros núcleos se beneficiarán de estas mejoras desde el principio. Agradecemos su apoyo a este desarrollo.

PD: Bubble Bobble para Pocket ya está disponible para el público. Además, MX5000 ha entrado en la fase de pruebas beta para Pocket.