利用SigmaDSP最大限度地降低汽车音频系统的噪声和功耗

星星科技指导员 2023-01-30 3018

描述

如今，越来越多的数字信号处理器（DSP）被部署在汽车电气系统中，以数字方式处理音频信号，并在车辆中提供多媒体的优势。例如，汽车收音机和CD系统可以被汽车多媒体系统取代，其中DSP（如ADAU1401 SigmaDSP处理器）用于实现出色的音频性能和灵活性，同时为乘客提供更强大的多媒体体验。这些DSP还为系统工程师提供了一个有用的工具，他们关心的是最大限度地降低功耗并减少系统噪声对聆听体验的影响。本文介绍了一种利用SigmaDSP处理器和SigmaStudio将噪声和功耗降至最低的新方法®™ 图形开发工具。

ADAU1401完整的单芯片音频系统包括一个完全可编程的28/56位音频DSP、模数转换器和数模转换器以及类似微控制器的控制接口。信号处理提供均衡、低音增强、多频段动态、延迟补偿、扬声器补偿和立体声图像加宽。这种处理方式可与高端录音室设备相媲美，可以弥补扬声器、放大器和聆听环境的实际限制，从而显著改善感知音频质量。

易于使用的 SigmaStudio 软件允许用户使用双二阶滤波器、动态处理器、电平控制和 GPIO 接口控制等模块以图形方式配置自定义信号处理流程。

本底噪声

与便携式设备不同，汽车音频系统配备了高功率放大器;每个扬声器能够提供高达 40 W 或 50 W 的功率;每辆车至少有四个扬声器。在安静的环境中，本底噪声可以很容易地放大到人耳可以感知的水平。例如，4 Ω扬声器中1 mV rms的噪声可以产生约24 dB的声压级（SPL）（假设扬声器灵敏度约为90 dB/W），即人耳在安静环境中可感知的水平。有许多可能的噪音源。如图1所示，主要噪声源包括电源噪声（VG）、滤波器/缓冲器噪声、（VF），以及电源接地布局不当产生的噪声，VE.VO是来自处理器的音频信号，并且V在是输入到扬声器功率放大器的音频信号。

处理器

图1.汽车音响系统中的噪声源示例。

电源开/关期间的爆裂声：汽车音频功率放大器采用 12V 单电源供电，而 DSP 需要较低电压电源（例如 3.3 V），滤波器/缓冲器采用分离电源（例如 ±9 V）工作。需要耦合电容器来提供在这些不同电源电压下工作的电路部分及其不同接地之间的隔离。在电源开/关期间，电容器将非常快速地充电/放电，产生沿链向下传播的脉冲，最终导致扬声器中的爆音。图 2 说明了此过程。

处理器

图2.如何在扬声器中产生流行噪声的概念。

尽管本底噪声和爆音噪声的来源是已知的，尽管通过良好的电路设计和布局技术以及选择噪声更低、噪声更低的更好器件，努力将源头的噪声降至最低，但在设计过程中可能会出现许多不确定性。汽车多媒体系统的设计人员必须处理许多复杂的问题，因此他们必须具备高水平的模拟/混合信号设计技能。即便如此，原型可能无法按最初预期执行;例如，1 mV rms的噪声水平是一个很大的挑战。至于爆音噪声，现有解决方案使用MCU来控制功率放大器在电源开/关期间的时序，但是当中央处理器远离功率放大器时，布局和电磁干扰（EMI）是潜在的问题。

功耗

随着车辆中包含越来越多的电子设备，功耗成为更大的挑战。例如，如果音频功率放大器消耗高达200 mA的静态电流，则采用12 V电源时的功耗高达2.4 W。在扬声器不需要声音的时候，如果有一种方法可以检测输入信号的缺失并关闭功率放大器而不涉及远程处理器，则可以节省大量功率。

将汽车音响系统的噪音和功耗降至最低

SigmaDSP技术提供了最小化噪声的机会，同时还节省了大量功耗，而不会增加硬件成本。图3是使用ADAU1401 SigmaDSP处理器作为音频后处理器的4扬声器汽车音频系统的框图。除了采样、转换、数字处理音频信号和生成额外的扬声器通道外，SigmaDSP 处理器还具有一个通用输入/输出（GPIO）引脚，可用于外部控制。微控制器（MCU）通过 I 与 SigmaDSP 处理器通信2C接口和模拟输出驱动采用ADA4075-2精密运算放大器的低通滤波器/缓冲级。

处理器

图3.带四个扬声器的汽车音响系统。

SigmaDSP处理器和功率放大器之间的红线控制功率放大器的静音/待机引脚。在正常默认操作中，集电极开路 GPIO1 引脚通过一个 10kΩ 上拉电阻设置为高电平。ADAU1401具有均方根信号检测功能，可用于确定是否存在输入信号。在没有输入信号的情况下，GPIO1 变为低电平，使功率放大器处于静音/待机模式，导致扬声器没有放大器输出噪声，并且待机功耗低。当检测到大于预定阈值（例如–45 dB）的输入信号时，GPIO1变为高电平，使功率放大器正常工作;本底噪声仍然存在，但高信噪比（SNR）掩盖了它，使人耳无法察觉。

在电源开/关期间，SigmaDSP 处理器（而不是 MCU）直接控制功率放大器的静音/待机，但它响应 MCU。例如，在开机期间，I2来自MCU的C信号设置SigmaDSP处理器的GPIO1，使其保持低电平（静音），直到预定的电容器充电过程完成;然后MCU将GPIO1设置为高电平，从而消除由于启动瞬变引起的爆音。断电时，GPIO 立即设置为低电平，使功率放大器处于静音/待机状态，从而消除了断电爆裂噪声。通过将功率放大器置于 SigmaDSP 处理器而不是 MCU 的直接控制之下，布局和 EMI 控制更容易实现，因为 SigmaDSP 处理器的位置更靠近功率放大器。

如前所述，均方根信号电平可以使用SigmaStudio软件算法确定。使用 SigmaStudio 图形开发工具，可以轻松设置 rms 计算并使用它来控制 GPIO 状态，如图 4 的示例所示。

处理器

图4.用于均方根检测、GPIO 控制和压缩的 SigmaStudio 原理图。

RMS 检测通过使用均方根单元和逻辑单元来实现。信号阈值包括迟滞，以消除静音功能响应微小变化的颤振;例如，RMS1 阈值设置为 –45 dB，RMS2 设置为 –69 dB。当输入信号大于 –45 dB 时，GPIO1 为高电平;当输入信号小于 –69 dB 时，GPIO1 为低电平;当输入信号介于两个阈值之间时，GPIO1输出信号保持其先前采集的状态（见图5）。

图4还包括压缩功能，以进一步降低输出噪声;例如，当输入信号小于–75 dB时，扬声器系统的输出信号将衰减至–100 dB，从而相应地降低本底噪声。

处理器

图5.RMS 阈值设置以及输入和输出之间的关系。

总结

噪声和功耗对汽车音响系统提出了巨大的挑战。ADI SigmaDSP处理器已广泛用于汽车应用的数字音频后处理，通过采用均方根检测和GPIO控制功能，可轻松利用其均方根检测和GPIO控制功能来最大限度地降低噪声并显著降低功耗。SigmaStudio图形开发工具允许以图形方式设置功能，而无需编写代码，从而简化了设计工作。此外，由于功率放大器模块在物理上比MCU更接近SigmaDSP处理器，因此使用SigmaDSP处理器控制静音功能使布局工作更容易，并提高了EMI抗扰度。

审核编辑：郭婷

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