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)字信號處理器（DSP）也獲得了越來越廣泛的應(yīng)用,， 用以對音頻信號進行數(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。此外這些DSP還提供了一個有用的工具,， 可實現(xiàn)減小系統(tǒng)噪音和功耗的功能,， 這對于關(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。信號處理包括均衡,、低音增強,、多頻段動態(tài)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(shù)可與高端演播室設(shè)備的效果相媲美，能夠彌補由于揚聲器,、功放和聽音環(huán)境的實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處理流程,， 例如雙二階濾波器、動態(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(huán)境下就能感受到。例如,，假設(shè)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(chǎn)生大約24 dB的聲壓級（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(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)良器件來降低信號源處的噪聲，但在設(shè)計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/混合信號設(shè)計技能。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,，布局布線和電磁干擾（EMI）會構(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)電流達到200 mA，則采用12 V電源時,，靜態(tài)功耗就高達2.4 W,。如果有一種方法能檢測到?jīng)]有輸入信號或信號足夠小,，進而關(guān)閉功率放大器，那么在已開機但不需要揚聲器發(fā)出聲音的時候,，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,，同時不增加硬件成本。圖3是一個4揚聲器車載音響系統(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,、音頻信號數(shù)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(qū)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(tǒng)

　　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(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具有均方根信號檢測功能,，可確定是否存在輸入信號,。當(dāng)沒有輸入信號時，GPIO1變?yōu)榈碗娖?，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(dāng)檢測到高于預(yù)定閾值（例如–45 dB）的輸入信號時,，GPIO1變?yōu)楦唠娖剑β史糯笃髡９ぷ?。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,。

　　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)字信號處理器（DSP）也獲得了越來越廣泛的應(yīng)用,， 用以對音頻信號進行數(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,。此外這些DSP還提供了一個有用的工具,， 可實現(xiàn)減小系統(tǒng)噪音和功耗的功能， 這對于關(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,。信號處理包括均衡,、低音增強、多頻段動態(tài)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(shù)可與高端演播室設(shè)備的效果相媲美,，能夠彌補由于揚聲器,、功放和聽音環(huán)境的實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處理流程,， 例如雙二階濾波器,、動態(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(huán)境下就能感受到,。例如，假設(shè)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(chǎn)生大約24 dB的聲壓級（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(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)良器件來降低信號源處的噪聲,，但在設(shè)計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/混合信號設(shè)計技能,。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,，布局布線和電磁干擾（EMI）會構(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)電流達到200 mA,，則采用12 V電源時,，靜態(tài)功耗就高達2.4 W。如果有一種方法能檢測到?jīng)]有輸入信號或信號足夠小,，進而關(guān)閉功率放大器,，那么在已開機但不需要揚聲器發(fā)出聲音的時候，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，同時不增加硬件成本,。圖3是一個4揚聲器車載音響系統(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,、音頻信號數(shù)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(qū)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(tǒng)

　　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(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具有均方根信號檢測功能,，可確定是否存在輸入信號,。當(dāng)沒有輸入信號時，GPIO1變?yōu)榈碗娖?，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(dāng)檢測到高于預(yù)定閾值（例如–45 dB）的輸入信號時,，GPIO1變?yōu)楦唠娖剑β史糯笃髡９ぷ?。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(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,。例如,，在電源接通期間，來自MCU的控制信號通過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,，由此消除啟動瞬變所引起的爆音,。關(guān)閉電源時，GPIO立即變?yōu)榈碗娖剑构β史糯笃魈幱陟o音/待機狀態(tài),，從而消除電源切斷時產(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控制也更容易實現(xiàn),。

　　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(fā)工具,，很容易設(shè)置均方根檢測模塊,，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,、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(xiàn)。信號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)輸入信號高于–45 dB時,，GPIO1為高電平。當(dāng)輸入信號低于–69 dB時,，GPIO1為低電平,。當(dāng)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(tài)（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(dāng)輸入信號低于–75 dB時,，揚聲器系統(tǒng)的輸出信號將會衰減到–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和GPIO控制功能來顯著降低噪聲和功耗，則能進一步發(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,。

　　關(guān)于作者

　　Ben Wang ［[email protected]］是ADI公司中國深圳的現(xiàn)場應(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,。