【導讀】如今，隨著多媒體技術逐漸被車載電子設備所采用, 數字信號處理器(DSP)也獲得了越來越廣泛的應用, 用以對音頻信號進行數字化處理。例如，車載多媒體系統取代傳統的汽車收音機和CD系統，在此多媒體系統中采用DSP, 例如ADI的 ADAU1401 SigmaDSP®,可以實現更出色的音效和高度靈活性，為乘客提供豐富多彩的多媒體體驗。此外這些DSP還提供了一個有用的工具, 可實現減小系統噪音和功耗的功能, 這對于關注噪音和功耗問題的系統工程師來說很有用。本文介紹了這種新方法, 利用 SigmaDSP 處理器和 SigmaStudio™ 圖形開發工具來減小車載音響系統的噪音和功耗。
ADAU1401是一款完整的單芯片音頻系統，包括完全可編程的28/56位音頻DSP、模數轉換器(ADC)、數模轉換器(DAC)及類似微控制器的控制接口。信號處理包括均衡、低音增強、多頻段動態處理、延遲補償、揚聲器補償和立體聲聲場加寬。這種處理技術可與高端演播室設備的效果相媲美，能夠彌補由于揚聲器、功放和聽音環境的實際限制所引起的失真，從而明顯改善音質。
借助方便易用的SigmaStudio開發工具，用戶可以使用不同的功能模塊以圖形化的方式配置信號處理流程, 例如雙二階濾波器、動態處理器、電平控制和GPIO接口控制等模塊。
噪底
與便攜式設備不同，車載音響系統配有高功率放大器，每個功放能夠提供高達40 W-50 W功率，每輛汽車至少有四個揚聲器。由于功率較大, 噪底很容易被放大，使得人耳在安靜的環境下就能感受到。例如，假設揚聲器靈敏度約為90 dB/W，則4 Ω揚聲器中的1 mV rms噪聲可以產生大約24 dB的聲壓級(SPL)，這一水平噪音人耳在安靜環境下就能夠感受到。可能的噪聲源有很多, 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引起的噪聲VE。VO 是來自處理器的音頻信號，VIN 是揚聲器功率放大器的音頻輸入信號。
圖1. 車載音響系統的噪聲源示例
電源開關期間的爆音： 車載音頻功率放大器一般采用12 V單電源供電，而DSP則需要使用低壓電源（例如3.3 V），濾波器/緩沖器可能采用雙電源供電（例如±9 V）。在以不同的電源電壓工作的各部分電路之間，必須使用耦合電容來提供信號隔離。在電源開/關期間，電容以極快的速度充電/放電，產生的電壓跳變沿著信號鏈傳播，最終導致揚聲器發出爆音。圖2顯示了這一過程。
圖2. 揚聲器產生爆音的原理
雖然知道噪底和爆音的來源，而且也努力采用良好的電路設計和布局布線技術，以及選擇噪聲更低的優良器件來降低信號源處的噪聲，但在設計過程中仍然可能出現許多不確定性。汽車多媒體系統的設計人員必須處理許多復雜問題，因此必須具備高水平的模擬/混合信號設計技能。即便如此，原型產品的性能仍有可能與原來的預期不符。例如，1 mV rms的噪聲水平會帶來巨大挑戰。至于爆音，現有解決方案使用MCU來控制電源開關期間功率放大器的操作順序，但當MCU距離功率放大器較遠時，布局布線和電磁干擾(EMI)會構成潛在問題。
功耗
隨著車載電子設備越來越多，功耗問題變得日趨嚴重。例如，如果音頻功率放大器的靜態電流達到200 mA，則采用12 V電源時，靜態功耗就高達2.4 W。如果有一種方法能檢測到沒有輸入信號或信號足夠小，進而關閉功率放大器，那么在已開機但不需要揚聲器發出聲音的時候，就可以節省不少功耗。
將車載音響系統的噪聲和功耗降至最低
利用SigmaDSP技術，就可以提供這樣一種方法, 可以減小系統噪聲和功耗，同時不增加硬件成本。圖3是一個4揚聲器車載音響系統的框圖，其中ADAU1401 SigmaDSP處理器用作音頻后處理器。除了采樣、轉換、音頻信號數字處理和生成額外的揚聲器通道以外，SigmaDSP處理器還具有通用輸入/輸出(GPIO)引腳可用于外部控制。微控制器(MCU)通過I2C接口與SigmaDSP處理器進行通信，模擬輸出驅動一個采用精密運算放大器ADA4075-2的低通濾波器/緩沖器級。
圖3. 四揚聲器車載音響系統
SigmaDSP處理器與功率放大器之間的紅色信號線控制功率放大器的靜音/待機引腳。在正常默認工作模式下，開集GPIO1引腳通過10 kΩ上拉電阻設置為高電平(圖中未標注)。ADAU1401具有均方根信號檢測功能，可確定是否存在輸入信號。當沒有輸入信號時，GPIO1變為低電平，功率放大器置于靜音/待機模式，因而揚聲器沒有噪聲輸出，同時功放的待機功耗也很低。當檢測到高于預定閾值（例如–45 dB）的輸入信號時，GPIO1變為高電平，功率放大器正常工作。這時雖然噪底仍然存在，但由于信號的高信噪比(SNR)將其屏蔽，使它不易被人耳感知到。
電源開關期間，SigmaDSP處理器（而不是MCU）通過響應MCU的命令直接控制功率放大器的靜音/待機。例如，在電源接通期間，來自MCU的控制信號通過I2C接口設置SigmaDSP處理器的GPIO1，使之保持低電平（靜音），直到預定的電容充電過程完成，然后MCU將GPIO1設置為高電平，由此消除啟動瞬變所引起的爆音。關閉電源時，GPIO立即變為低電平，使功率放大器處于靜音/待機狀態，從而消除電源切斷時產生的爆音。將功率放大器置于SigmaDSP處理器而不是MCU的直接控制之下的原因是SigmaDSP處理器通常距離功率放大器更近，因此布局布線和EMI控制也更容易實現。
如上所述，利用SigmaStudio軟件算法可以測量輸入信號的均方根電平。使用SigmaStudio圖形開發工具，很容易設置均方根檢測模塊，并用它來控制GPIO狀態，如圖4的范例所示。
圖4. SigmaStudio均方根檢測、GPIO控制和壓限器電路圖
均方根檢測功能利用均方根算法單元和邏輯單元實現。信號閾值必須具有遲滯功能，用以消除靜音功能響應小變化而產生的震顫。例如RMS1閾值設置為–45 dB，RMS2閾值設置為–69 dB。當輸入信號高于–45 dB時，GPIO1為高電平。當輸入信號低于–69 dB時，GPIO1為低電平。當輸入信號位于這兩個閾值之間時，GPIO1輸出信號保持先前所處的狀態（參見圖5）。
圖4還顯示了用以進一步降低輸出噪聲的壓限器功能。例如，當輸入信號低于–75 dB時，揚聲器系統的輸出信號將會衰減到–100 dB，從而也降低了系統噪底。
圖5. RMS閾值設置以及輸入與輸出之間的關系
總結
噪聲和功耗是車載音響系統設計面臨的巨大挑戰。ADI公司的SigmaDSP處理器已廣泛應用于車載音響系統的數字音頻后處理，若利用其均方根檢測和GPIO控制功能來顯著降低噪聲和功耗，則能進一步發揮更大作用。SigmaStudio圖形化開發工具支持以圖形方式設置各種功能，而不需要編寫代碼，令設計工作倍加簡單。此外，由于功率放大器模塊通常離SigmaDSP處理器比離MCU更近，因此用SigmaDSP處理器來控制靜音功能，可以簡化布局布線工作并提高EMI抗擾度。
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