【導(dǎo)讀】利用ANC和ASD等音頻技術(shù)，汽車制造商可以最大限度地降低引擎噪音并創(chuàng)造出獨(dú)特的發(fā)動(dòng)機(jī)聲效。搭載支持ANC和ASD算法的小型低功耗專屬DSP，主處理器工作負(fù)載可以有效分流，滿足車輛對系統(tǒng)性能、能耗和成本的需求。
節(jié)能技術(shù)雖然推動(dòng)了環(huán)保汽車的發(fā)展，卻也造成駕駛室噪音問題的加劇。為降低噪音，汽車工程師利用車載音頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪控制(ANC)。汽車制造商致力于應(yīng)用主動(dòng)音效設(shè)計(jì)(ASD)技術(shù)產(chǎn)生獨(dú)特的引擎聲音，以達(dá)到降噪效果。本文旨在探討如何應(yīng)用專屬音頻DSP助力ANC和ASD系統(tǒng)減少延遲、提高性能并降低成本。
簡介
特定駕駛條件下，棄用減振材料并利用更少的氣缸實(shí)現(xiàn)更高引擎效率，是打造節(jié)能汽車的重要手段。然而，這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)卻無法最大程度減少駕駛室內(nèi)的噪聲。舉個(gè)例子，缸徑小的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(RPM)也較低，低頻率運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生更大的噪聲。為此，汽車工程師求助于ANC技術(shù)以期實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪。
圖1：典型的客車主動(dòng)降噪系統(tǒng)。
ANC技術(shù)基于相干聲學(xué)原理， 旨在精確復(fù)原所有噪聲來源在任意時(shí)間的原始聲場，包括實(shí)時(shí)及反相噪音。ANC系統(tǒng)接入車載音響與麥克風(fēng)，通過在無線電或音響系統(tǒng)中使用信號處理產(chǎn)生反相位噪音，抵消發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪。在音頻子系統(tǒng)中搭載小型DSP非常有效，主處理器也可以更專注于計(jì)算密集型任務(wù)。圖1展示了典型的客車主動(dòng)降噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲頻率范圍通常在30～250Hz之間，揚(yáng)聲器系統(tǒng)應(yīng)生成相同頻率的反相位噪聲以抵消噪音。ANC技術(shù)還可用于混合動(dòng)力汽車，減少電池充電時(shí)產(chǎn)生的噪音。
圖2：不同主動(dòng)音響設(shè)計(jì)環(huán)境的分貝水平。
如今，眾多主流車型將主動(dòng)聲學(xué)技術(shù)與車載信息娛樂系統(tǒng)集成起來影響汽車的聲效，也就是我們通常所稱的ASD。以寶馬M5為例，該車型支持?jǐn)?shù)字信號處理，與引擎管理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并根據(jù)轉(zhuǎn)速、扭矩、汽車行駛速度等信息生成不同的引擎運(yùn)行聲音。如果駕駛員切換至Sport或Sport+模式，引擎靈敏度增強(qiáng)，駕駛室內(nèi)的聲音體驗(yàn)變得刺耳。圖2展示了一些實(shí)際應(yīng)用案例。越來越多的車載信息娛樂系統(tǒng)選用高度集成的系統(tǒng)級芯片(SoC)、高性能標(biāo)準(zhǔn)CPU與軟件基礎(chǔ)設(shè)施以支持ASD技術(shù)。
信息娛樂系統(tǒng)之前世今生
如果現(xiàn)代信息娛樂系統(tǒng)搭載具有多個(gè)(通常是無線)接口的通訊集線器，即可實(shí)現(xiàn)高度集成，功能也會(huì)更加豐富。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并不簡單，因?yàn)榉庋b尺寸及功耗都有很大的局限性，還必須滿足散熱需求。從設(shè)計(jì)角度來看，信息娛樂系統(tǒng)通常需要搭載強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)多核處理器，操作系統(tǒng)和中間件也要足夠開放以支持不同平臺。很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師選擇使用跨功能SoC來支持車載無線電調(diào)諧器和音頻功能。
利用專屬DSP實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪
主動(dòng)降噪技術(shù)對延遲有要求，因此并不適用于主流音頻框架。所以，為信息娛樂系統(tǒng)開發(fā)SoC時(shí)，必須考慮主動(dòng)降噪技術(shù)對音頻信號的獨(dú)特需求：
·高帶寬，48kHz采樣頻率；
·高動(dòng)態(tài)范圍，≥24bit；
·多通路(≥20個(gè)音頻輸入通路，20個(gè)目標(biāo)輸出通路)；
·源匯不同步，時(shí)鐘域不同；
·復(fù)雜的信號處理和模塊處理；
·不支持中斷和同步功能。免提語音控制和緩沖等應(yīng)用需要低延遲環(huán)境。
回顧第一代主動(dòng)音響系統(tǒng)，汽車設(shè)計(jì)師在車輛上增加了一個(gè)額外的控制單元，利用DSP進(jìn)行功率放大器和揚(yáng)聲器音頻信號控制，以營造車載麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器系統(tǒng)所需的低延遲環(huán)境。新一代系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)師將主動(dòng)降噪技術(shù)集成到基于DSP的強(qiáng)大功放。然而，這一方案十分昂貴，不適用于經(jīng)濟(jì)型汽車。
在當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)型汽車中，功放通常集成于音響主機(jī)中的無線電組件。音響主機(jī)則在大型嵌入式CPU或多CPU平臺上運(yùn)行，為導(dǎo)航、信息娛樂和智能手機(jī)應(yīng)用提供支持。此方案可以保證所需的計(jì)算能力，但無法實(shí)現(xiàn)低延遲環(huán)境。這一沖突通常是由OS-Linux操作系統(tǒng)引起的，OS-Linux在任務(wù)切換時(shí)僅能實(shí)現(xiàn)100ms延遲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了ANC的最低要求。
為滿足音頻組件的低延遲和成本需求，分流主處理器負(fù)載并將小型專用DSP集成到So C以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪是個(gè)不錯(cuò)的選擇。這樣一來，主處理器可以專注于運(yùn)行計(jì)算密集型任務(wù)；DSP則可收集車輛、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器的數(shù)據(jù)，并為這些應(yīng)用執(zhí)行功能軟件。Cadence的Tensilica HiFi DSP支持超過160種音頻、聲音、語音識別以及音頻和語音增強(qiáng)軟件包， 該IP支持所有SoC設(shè)計(jì)。DSP提供充足的計(jì)算資源以支持其它音頻處理算法，包括聲學(xué)回聲消除、波束形成和聲場擴(kuò)展。
總結(jié)
利用ANC和ASD等音頻技術(shù)，汽車制造商可以最大限度地降低引擎噪音并創(chuàng)造出獨(dú)特的發(fā)動(dòng)機(jī)聲效。搭載支持ANC和ASD算法的小型低功耗專屬DSP，主處理器工作負(fù)載可以有效分流，滿足車輛對系統(tǒng)性能、能耗和成本的需求。
本文來源于電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
