节能技术虽然推动了环保汽车的发展,却也造成驾驶室噪音问题的加剧。为降低噪音,汽车工程师利用车载音频系统实现主动降噪控制(ANC)。汽车制造商致力于应用主动音效设计(ASD)技术产生独特的引擎声音,以达到降噪效果。本文旨在探讨如何应用专属音频DSP助力ANC和ASD系统减少延迟、提高性能并降低成本。

简介

特定驾驶条件下,弃用减振材料并利用更少的气缸实现更高引擎效率,是打造节能汽车的重要手段。然而,这项节能技术却无法最大程度减少驾驶室内的噪声。举个例子,缸径小的发动机转速(RPM)也较低,低频率运转会产生更大的噪声。为此,汽车工程师求助于ANC技术以期实现主动降噪。

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图1:典型的客车主动降噪系统。

ANC技术基于相干声学原理, 旨在精确复原所有噪声来源在任意时间的原始声场,包括实时及反相噪音。ANC系统接入车载音响与麦克风,通过在无线电或音响系统中使用信号处理产生反相位噪音,抵消发动机噪声,实现主动降噪。在音频子系统中搭载小型DSP非常有效,主处理器也可以更专注于计算密集型任务。图1展示了典型的客车主动降噪系统设计原理。发动机噪声频率范围通常在30~250Hz之间,扬声器系统应生成相同频率的反相位噪声以抵消噪音。ANC技术还可用于混合动力汽车,减少电池充电时产生的噪音。

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图2:不同主动音响设计环境的分贝水平。

如今,众多主流车型将主动声学技术与车载信息娱乐系统集成起来影响汽车的声效,也就是我们通常所称的ASD。以宝马M5为例,该车型支持数字信号处理,与引擎管理器进行数据交换,并根据转速、扭矩、汽车行驶速度等信息生成不同的引擎运行声音。如果驾驶员切换至Sport或Sport+模式,引擎灵敏度增强,驾驶室内的声音体验变得刺耳。图2展示了一些实际应用案例。越来越多的车载信息娱乐系统选用高度集成的系统级芯片(SoC)、高性能标准CPU与软件基础设施以支持ASD技术。

信息娱乐系统之前世今生

如果现代信息娱乐系统搭载具有多个(通常是无线)接口的通讯集线器,即可实现高度集成,功能也会更加丰富。实现这一目标并不简单,因为封装尺寸及功耗都有很大的局限性,还必须满足散热需求。从设计角度来看,信息娱乐系统通常需要搭载强大的标准多核处理器,操作系统和中间件也要足够开放以支持不同平台。很多系统设计师选择使用跨功能SoC来支持车载无线电调谐器和音频功能。

利用专属DSP实现主动降噪

主动降噪技术对延迟有要求,因此并不适用于主流音频框架。所以,为信息娱乐系统开发SoC时,必须考虑主动降噪技术对音频信号的独特需求:

·高带宽,48kHz采样频率;

·高动态范围,≥24bit;

·多通路(≥20个音频输入通路,20个目标输出通路);

·源汇不同步,时钟域不同;

·复杂的信号处理和模块处理;

·不支持中断和同步功能。免提语音控制和缓冲等应用需要低延迟环境。

回顾第一代主动音响系统,汽车设计师在车辆上增加了一个额外的控制单元,利用DSP进行功率放大器和扬声器音频信号控制,以营造车载麦克风与扬声器系统所需的低延迟环境。新一代系统中,设计师将主动降噪技术集成到基于DSP的强大功放。然而,这一方案十分昂贵,不适用于经济型汽车。

在当今的经济型汽车中,功放通常集成于音响主机中的无线电组件。音响主机则在大型嵌入式CPU或多CPU平台上运行,为导航、信息娱乐和智能手机应用提供支持。此方案可以保证所需的计算能力,但无法实现低延迟环境。这一冲突通常是由OS-Linux操作系统引起的,OS-Linux在任务切换时仅能实现100ms延迟,远远满足不了ANC的最低要求。

为满足音频组件的低延迟和成本需求,分流主处理器负载并将小型专用DSP集成到So C以实现主动降噪是个不错的选择。这样一来,主处理器可以专注于运行计算密集型任务;DSP则可收集车辆、麦克风和扬声器的数据,并为这些应用执行功能软件。Cadence的Tensilica HiFi DSP支持超过160种音频、声音、语音识别以及音频和语音增强软件包, 该IP支持所有SoC设计。DSP提供充足的计算资源以支持其它音频处理算法,包括声学回声消除、波束形成和声场扩展。

总结

利用ANC和ASD等音频技术,汽车制造商可以最大限度地降低引擎噪音并创造出独特的发动机声效。搭载支持ANC和ASD算法的小型低功耗专属DSP,主处理器工作负载可以有效分流,满足车辆对系统性能、能耗和成本的需求。

《电子技术设计》2017年2月刊版权所有,谢绝转载。

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