利用SigmaDSP減小車載音響系統(tǒng)的噪音和功耗

如今，隨著多媒體技術(shù)逐漸被車載電子設(shè)備所采用， 數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）也獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用， 用以對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。例如，車載多媒體系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的汽車收音機(jī)和CD系統(tǒng)，在此多媒體系統(tǒng)中采用DSP, 例如ADI的 ADAU1401 SigmaDSP?,可以實(shí)現(xiàn)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(yàn)。此外這些DSP還提供了一個(gè)有用的工具， 可實(shí)現(xiàn)減小系統(tǒng)噪音和功耗的功能， 這對(duì)于關(guān)注噪音和功耗問題的系統(tǒng)工程師來(lái)說(shuō)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(fā)工具來(lái)減小車載音響系統(tǒng)的噪音和功耗。

ADAU1401是一款完整的單芯片音頻系統(tǒng)，包括完全可編程的28/56位音頻DSP、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）及類似微控制器的控制接口。信號(hào)處理包括均衡、低音增強(qiáng)、多頻段動(dòng)態(tài)處理、延遲補(bǔ)償、揚(yáng)聲器補(bǔ)償和立體聲聲場(chǎng)加寬。這種處理技術(shù)可與高端演播室設(shè)備的效果相媲美，能夠彌補(bǔ)由于揚(yáng)聲器、功放和聽音環(huán)境的實(shí)際限制所引起的失真，從而明顯改善音質(zhì)。

借助方便易用的SigmaStudio開發(fā)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(hào)處理流程， 例如雙二階濾波器、動(dòng)態(tài)處理器、電平控制和GPIO接口控制等模塊。

噪底

與便攜式設(shè)備不同，車載音響系統(tǒng)配有高功率放大器，每個(gè)功放能夠提供高達(dá)40 W-50 W功率，每輛汽車至少有四個(gè)揚(yáng)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(huán)境下就能感受到。例如，假設(shè)揚(yáng)聲器靈敏度約為90 dB/W，則4 Ω揚(yáng)聲器中的1 mV rms噪聲可以產(chǎn)生大約24 dB的聲壓級(jí)（SPL），這一水平噪音人耳在安靜環(huán)境下就能夠感受到?？赡艿脑肼曉从泻芏?， 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)引起的噪聲VE。VO是來(lái)自處理器的音頻信號(hào)，VIN是揚(yáng)聲器功率放大器的音頻輸入信號(hào)。

圖1. 車載音響系統(tǒng)的噪聲源示例

電源開關(guān)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(lái)提供信號(hào)隔離。在電源開/關(guān)期間，電容以極快的速度充電/放電，產(chǎn)生的電壓跳變沿著信號(hào)鏈傳播，最終導(dǎo)致?lián)P聲器發(fā)出爆音。圖2顯示了這一過程。

圖2. 揚(yáng)聲器產(chǎn)生爆音的原理

雖然知道噪底和爆音的來(lái)源，而且也努力采用良好的電路設(shè)計(jì)和布局布線技術(shù)，以及選擇噪聲更低的優(yōu)良器件來(lái)降低信號(hào)源處的噪聲，但在設(shè)計(jì)過程中仍然可能出現(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)雜問題，因此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，原型產(chǎn)品的性能仍有可能與原來(lái)的預(yù)期不符。例如，1 mV rms的噪聲水平會(huì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。至于爆音，現(xiàn)有解決方案使用MCU來(lái)控制電源開關(guān)期間功率放大器的操作順序，但當(dāng)MCU距離功率放大器較遠(yuǎn)時(shí)，布局布線和電磁干擾（EMI）會(huì)構(gòu)成潛在問題。

功耗

隨著車載電子設(shè)備越來(lái)越多，功耗問題變得日趨嚴(yán)重。例如，如果音頻功率放大器的靜態(tài)電流達(dá)到200 mA，則采用12 V電源時(shí)，靜態(tài)功耗就高達(dá)2.4 W。如果有一種方法能檢測(cè)到?jīng)]有輸入信號(hào)或信號(hào)足夠小，進(jìn)而關(guān)閉功率放大器，那么在已開機(jī)但不需要揚(yáng)聲器發(fā)出聲音的時(shí)候，就可以節(jié)省不少功耗。

將車載音響系統(tǒng)的噪聲和功耗降至最低

利用SigmaDSP技術(shù)，就可以提供這樣一種方法， 可以減小系統(tǒng)噪聲和功耗，同時(shí)不增加硬件成本。圖3是一個(gè)4揚(yáng)聲器車載音響系統(tǒng)的框圖，其中ADAU1401 SigmaDSP處理器用作音頻后處理器。除了采樣、轉(zhuǎn)換、音頻信號(hào)數(shù)字處理和生成額外的揚(yáng)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(jìn)行通信，模擬輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)采用精密運(yùn)算放大器 ADA4075-2的低通濾波器/緩沖器級(jí)。

圖3. 四揚(yáng)聲器車載音響系統(tǒng)

SigmaDSP處理器與功率放大器之間的紅色信號(hào)線控制功率放大器的靜音/待機(jī)引腳。在正常默認(rèn)工作模式下，開集GPIO1引腳通過10 kΩ上拉電阻設(shè)置為高電平（圖中未標(biāo)注）。ADAU1401具有均方根信號(hào)檢測(cè)功能，可確定是否存在輸入信號(hào)。當(dāng)沒有輸入信號(hào)時(shí)，GPIO1變?yōu)榈碗娖?，功率放大器置于靜音/待機(jī)模式，因而揚(yáng)聲器沒有噪聲輸出，同時(shí)功放的待機(jī)功耗也很低。當(dāng)檢測(cè)到高于預(yù)定閾值（例如–45 dB）的輸入信號(hào)時(shí)，GPIO1變?yōu)楦唠娖剑β史糯笃髡９ぷ?。這時(shí)雖然噪底仍然存在，但由于信號(hào)的高信噪比（SNR）將其屏蔽，使它不易被人耳感知到。

電源開關(guān)期間，SigmaDSP處理器（而不是MCU）通過響應(yīng)MCU的命令直接控制功率放大器的靜音/待機(jī)。例如，在電源接通期間，來(lái)自MCU的控制信號(hào)通過I2C接口設(shè)置SigmaDSP處理器的GPIO1，使之保持低電平（靜音），直到預(yù)定的電容充電過程完成，然后MCU將GPIO1設(shè)置為高電平，由此消除啟動(dòng)瞬變所引起的爆音。關(guān)閉電源時(shí)，GPIO立即變?yōu)榈碗娖?，使功率放大器處于靜音/待機(jī)狀態(tài)，從而消除電源切斷時(shí)產(chǎn)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(shí)現(xiàn)。

如上所述，利用SigmaStudio軟件算法可以測(cè)量輸入信號(hào)的均方根電平。使用SigmaStudio圖形開發(fā)工具，很容易設(shè)置均方根檢測(cè)模塊，并用它來(lái)控制GPIO狀態(tài)，如圖4的范例所示。

圖4. SigmaStudio均方根檢測(cè)、GPIO控制和壓限器電路圖

均方根檢測(cè)功能利用均方根算法單元和邏輯單元實(shí)現(xiàn)。信號(hào)閾值必須具有遲滯功能，用以消除靜音功能響應(yīng)小變化而產(chǎn)生的震顫。例如RMS1閾值設(shè)置為–45 dB，RMS2閾值設(shè)置為–69 dB。當(dāng)輸入信號(hào)高于–45 dB時(shí)，GPIO1為高電平。當(dāng)輸入信號(hào)低于–69 dB時(shí)，GPIO1為低電平。當(dāng)輸入信號(hào)位于這兩個(gè)閾值之間時(shí)，GPIO1輸出信號(hào)保持先前所處的狀態(tài)（參見圖5）。

圖4還顯示了用以進(jìn)一步降低輸出噪聲的壓限器功能。例如，當(dāng)輸入信號(hào)低于–75 dB時(shí)，揚(yáng)聲器系統(tǒng)的輸出信號(hào)將會(huì)衰減到–100 dB，從而也降低了系統(tǒng)噪底。

圖5. RMS閾值設(shè)置以及輸入與輸出之間的關(guān)系

總結(jié)

噪聲和功耗是車載音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的巨大挑戰(zhàn)。ADI公司的SigmaDSP處理器已廣泛應(yīng)用于車載音響系統(tǒng)的數(shù)字音頻后處理，若利用其均方根檢測(cè)和GPIO控制功能來(lái)顯著降低噪聲和功耗，則能進(jìn)一步發(fā)揮更大作用。SigmaStudio圖形化開發(fā)工具支持以圖形方式設(shè)置各種功能，而不需要編寫代碼，令設(shè)計(jì)工作倍加簡(jiǎn)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(lái)控制靜音功能，可以簡(jiǎn)化布局布線工作并提高EMI抗擾度。