《電子技術(shù)應(yīng)用》
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ADI利用SigmaDSP減小車載音響系統(tǒng)的噪音和功耗

2011-04-16
作者:Ben Wang

  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(fā)工具來減小車載音響系統(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??赡艿脑肼曉从泻芏啵?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的預(yù)期不符。例如,1 mV rms的噪聲水平會(huì)帶來巨大挑戰(zhàn)。至于爆音,現(xiàn)有解決方案使用MCU來控制電源開關(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?,功率放大器正常工作。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。

  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(fā)工具來減小車載音響系統(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。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(dāng)引起的噪聲VE。VO是來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的預(yù)期不符。例如,1 mV rms的噪聲水平會(huì)帶來巨大挑戰(zhàn)。至于爆音,現(xiàn)有解決方案使用MCU來控制電源開關(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?,功率放大器正常工作。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處理器來控制靜音功能,可以簡(jiǎn)化布局布線工作并提高EMI抗擾度。

  關(guān)于作者

  Ben Wang [ben.wang@analog.com]是ADI公司中國深圳的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師(FAE),畢業(yè)于湖南大學(xué)。他于2009年6月加入ADI公司,此前在National Semiconductor工作過六年。

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