如今，越來越多的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）被部署在汽車電氣系統(tǒng)中，以數(shù)字方式處理音頻信號(hào)，并在車輛中提供多媒體的優(yōu)勢(shì)。例如，汽車收音機(jī)和CD系統(tǒng)可以被汽車多媒體系統(tǒng)取代，其中DSP（如ADAU1401 SigmaDSP處理器）用于實(shí)現(xiàn)出色的音頻性能和靈活性，同時(shí)為乘客提供更強(qiáng)大的多媒體體驗(yàn)。這些DSP還為系統(tǒng)工程師提供了一個(gè)有用的工具，他們關(guān)心的是最大限度地降低功耗并減少系統(tǒng)噪聲對(duì)聆聽體驗(yàn)的影響。本文介紹了一種利用SigmaDSP處理器和SigmaStudio將噪聲和功耗降至最低的新方法?? 圖形開發(fā)工具。

ADAU1401完整的單芯片音頻系統(tǒng)包括一個(gè)完全可編程的28/56位音頻DSP、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及類似微控制器的控制接口。信號(hào)處理提供均衡、低音增強(qiáng)、多頻段動(dòng)態(tài)、延遲補(bǔ)償、揚(yáng)聲器補(bǔ)償和立體聲圖像加寬。這種處理方式可與高端錄音室設(shè)備相媲美，可以彌補(bǔ)揚(yáng)聲器、放大器和聆聽環(huán)境的實(shí)際限制，從而顯著改善感知音頻質(zhì)量。

易于使用的 SigmaStudio 軟件允許用戶使用雙二階濾波器、動(dòng)態(tài)處理器、電平控制和 GPIO 接口控制等模塊以圖形方式配置自定義信號(hào)處理流程。

本底噪聲

與便攜式設(shè)備不同，汽車音頻系統(tǒng)配備了高功率放大器;每個(gè)揚(yáng)聲器能夠提供高達(dá) 40 W 或 50 W 的功率;每輛車至少有四個(gè)揚(yáng)聲器。在安靜的環(huán)境中，本底噪聲可以很容易地放大到人耳可以感知的水平。例如，4 Ω揚(yáng)聲器中1 mV rms的噪聲可以產(chǎn)生約24 dB的聲壓級(jí)（SPL）（假設(shè)揚(yáng)聲器靈敏度約為90 dB/W），即人耳在安靜環(huán)境中可感知的水平。有許多可能的噪音源。如圖1所示，主要噪聲源包括電源噪聲（VG）、濾波器/緩沖器噪聲、 （VF），以及電源接地布局不當(dāng)產(chǎn)生的噪聲，VE.VO是來自處理器的音頻信號(hào)，并且V在 是輸入到揚(yáng)聲器功率放大器的音頻信號(hào)。

圖1.汽車音響系統(tǒng)中的噪聲源示例。

電源開/關(guān)期間的爆裂聲：汽車音頻功率放大器采用 12V 單電源供電，而 DSP 需要較低電壓電源（例如 3.3 V），濾波器/緩沖器采用分離電源（例如 ±9 V）工作。需要耦合電容器來提供在這些不同電源電壓下工作的電路部分及其不同接地之間的隔離。在電源開/關(guān)期間，電容器將非常快速地充電/放電，產(chǎn)生沿鏈向下傳播的脈沖，最終導(dǎo)致?lián)P聲器中的爆音。圖 2 說明了此過程。

圖2.如何在揚(yáng)聲器中產(chǎn)生流行噪聲的概念。

盡管本底噪聲和爆音噪聲的來源是已知的，盡管通過良好的電路設(shè)計(jì)和布局技術(shù)以及選擇噪聲更低、噪聲更低的更好器件，努力將源頭的噪聲降至最低，但在設(shè)計(jì)過程中可能會(huì)出現(xiàn)許多不確定性。汽車多媒體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員必須處理許多復(fù)雜的問題，因此他們必須具備高水平的模擬/混合信號(hào)設(shè)計(jì)技能。即便如此，原型可能無法按最初預(yù)期執(zhí)行;例如，1 mV rms的噪聲水平是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。至于爆音噪聲，現(xiàn)有解決方案使用MCU來控制功率放大器在電源開/關(guān)期間的時(shí)序，但是當(dāng)中央處理器遠(yuǎn)離功率放大器時(shí)，布局和電磁干擾（EMI）是潛在的問題。

功耗

隨著車輛中包含越來越多的電子設(shè)備，功耗成為更大的挑戰(zhàn)。例如，如果音頻功率放大器消耗高達(dá)200 mA的靜態(tài)電流，則采用12 V電源時(shí)的功耗高達(dá)2.4 W。在揚(yáng)聲器不需要聲音的時(shí)候，如果有一種方法可以檢測(cè)輸入信號(hào)的缺失并關(guān)閉功率放大器而不涉及遠(yuǎn)程處理器，則可以節(jié)省大量功率。

將汽車音響系統(tǒng)的噪音和功耗降至最低

SigmaDSP技術(shù)提供了最小化噪聲的機(jī)會(huì)，同時(shí)還節(jié)省了大量功耗，而不會(huì)增加硬件成本。圖3是使用ADAU1401 SigmaDSP處理器作為音頻后處理器的4揚(yáng)聲器汽車音頻系統(tǒng)的框圖。除了采樣、轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理音頻信號(hào)和生成額外的揚(yáng)聲器通道外，SigmaDSP 處理器還具有一個(gè)通用輸入/輸出 （GPIO） 引腳，可用于外部控制。微控制器 （MCU） 通過 I 與 SigmaDSP 處理器通信2C接口和模擬輸出驅(qū)動(dòng)采用ADA4075-2精密運(yùn)算放大器的低通濾波器/緩沖級(jí)。

圖3.帶四個(gè)揚(yáng)聲器的汽車音響系統(tǒng)。

SigmaDSP處理器和功率放大器之間的紅線控制功率放大器的靜音/待機(jī)引腳。在正常默認(rèn)操作中，集電極開路 GPIO1 引腳通過一個(gè) 10kΩ 上拉電阻設(shè)置為高電平。ADAU1401具有均方根信號(hào)檢測(cè)功能，可用于確定是否存在輸入信號(hào)。在沒有輸入信號(hào)的情況下，GPIO1 變?yōu)榈碗娖剑构β史糯笃魈幱陟o音/待機(jī)模式，導(dǎo)致?lián)P聲器沒有放大器輸出噪聲，并且待機(jī)功耗低。當(dāng)檢測(cè)到大于預(yù)定閾值（例如–45 dB）的輸入信號(hào)時(shí)，GPIO1變?yōu)楦唠娖?，使功率放大器正常工?本底噪聲仍然存在，但高信噪比（SNR）掩蓋了它，使人耳無法察覺。

在電源開/關(guān)期間，SigmaDSP 處理器（而不是 MCU）直接控制功率放大器的靜音/待機(jī)，但它響應(yīng) MCU。例如，在開機(jī)期間，I2來自MCU的C信號(hào)設(shè)置SigmaDSP處理器的GPIO1，使其保持低電平（靜音），直到預(yù)定的電容器充電過程完成;然后MCU將GPIO1設(shè)置為高電平，從而消除由于啟動(dòng)瞬變引起的爆音。斷電時(shí)，GPIO 立即設(shè)置為低電平，使功率放大器處于靜音/待機(jī)狀態(tài)，從而消除了斷電爆裂噪聲。通過將功率放大器置于 SigmaDSP 處理器而不是 MCU 的直接控制之下，布局和 EMI 控制更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?SigmaDSP 處理器的位置更靠近功率放大器。

如前所述，均方根信號(hào)電平可以使用SigmaStudio軟件算法確定。使用 SigmaStudio 圖形開發(fā)工具，可以輕松設(shè)置 rms 計(jì)算并使用它來控制 GPIO 狀態(tài)，如圖 4 的示例所示。

圖4.用于均方根檢測(cè)、GPIO 控制和壓縮的 SigmaStudio 原理圖。

RMS 檢測(cè)通過使用均方根單元和邏輯單元來實(shí)現(xiàn)。信號(hào)閾值包括遲滯，以消除靜音功能響應(yīng)微小變化的顫振;例如，RMS1 閾值設(shè)置為 –45 dB，RMS2 設(shè)置為 –69 dB。當(dāng)輸入信號(hào)大于 –45 dB 時(shí)，GPIO1 為高電平;當(dāng)輸入信號(hào)小于 –69 dB 時(shí)，GPIO1 為低電平;當(dāng)輸入信號(hào)介于兩個(gè)閾值之間時(shí)，GPIO1輸出信號(hào)保持其先前采集的狀態(tài)（見圖5）。

圖4還包括壓縮功能，以進(jìn)一步降低輸出噪聲;例如，當(dāng)輸入信號(hào)小于–75 dB時(shí)，揚(yáng)聲器系統(tǒng)的輸出信號(hào)將衰減至–100 dB，從而相應(yīng)地降低本底噪聲。

圖5.RMS 閾值設(shè)置以及輸入和輸出之間的關(guān)系。

總結(jié)

噪聲和功耗對(duì)汽車音響系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)。ADI SigmaDSP處理器已廣泛用于汽車應(yīng)用的數(shù)字音頻后處理，通過采用均方根檢測(cè)和GPIO控制功能，可輕松利用其均方根檢測(cè)和GPIO控制功能來最大限度地降低噪聲并顯著降低功耗。SigmaStudio圖形開發(fā)工具允許以圖形方式設(shè)置功能，而無需編寫代碼，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作。此外，由于功率放大器模塊在物理上比MCU更接近SigmaDSP處理器，因此使用SigmaDSP處理器控制靜音功能使布局工作更容易，并提高了EMI抗擾度。

審核編輯：郭婷