節能技術(shù)雖然推動(dòng)了環(huán)保汽車(chē)的發(fā)展，卻也造成駕駛室噪音問(wèn)題的加劇。為降低噪音，汽車(chē)工程師利用車(chē)載音頻系統實(shí)現主動(dòng)降噪控制(ANC)。汽車(chē)制造商致力于應用主動(dòng)音效設計(ASD)技術(shù)產(chǎn)生獨特的引擎聲音，以達到降噪效果。本文旨在探討如何應用專(zhuān)屬音頻DSP助力ANC和ASD系統減少延遲、提高性能并降低成本。

 

 

特定駕駛條件下，棄用減振材料并利用更少的氣缸實(shí)現更高引擎效率，是打造節能汽車(chē)的重要手段。然而，這項節能技術(shù)卻無(wú)法最大程度減少駕駛室內的噪聲。舉個(gè)例子，缸徑小的發(fā)動(dòng)機轉速(RPM)也較低，低頻率運轉會(huì )產(chǎn)生更大的噪聲。為此，汽車(chē)工程師求助于A(yíng)NC技術(shù)以期實(shí)現主動(dòng)降噪。

 

圖1：典型的客車(chē)主動(dòng)降噪系統。

 

ANC技術(shù)基于相干聲學(xué)原理， 旨在精確復原所有噪聲來(lái)源在任意時(shí)間的原始聲場(chǎng)，包括實(shí)時(shí)及反相噪音。ANC系統接入車(chē)載音響與麥克風(fēng)，通過(guò)在無(wú)線(xiàn)電或音響系統中使用信號處理產(chǎn)生反相位噪音，抵消發(fā)動(dòng)機噪聲，實(shí)現主動(dòng)降噪。在音頻子系統中搭載小型DSP非常有效，主處理器也可以更專(zhuān)注于計算密集型任務(wù)。圖1展示了典型的客車(chē)主動(dòng)降噪系統設計原理。發(fā)動(dòng)機噪聲頻率范圍通常在30～250Hz之間，揚聲器系統應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(chē)，減少電池充電時(shí)產(chǎn)生的噪音。

 

圖2：不同主動(dòng)音響設計環(huán)境的分貝水平。

 

如今，眾多主流車(chē)型將主動(dòng)聲學(xué)技術(shù)與車(chē)載信息娛樂(lè )系統集成起來(lái)影響汽車(chē)的聲效，也就是我們通常所稱(chēng)的ASD。以寶馬M5為例，該車(chē)型支持數字信號處理，與引擎管理器進(jìn)行數據交換，并根據轉速、扭矩、汽車(chē)行駛速度等信息生成不同的引擎運行聲音。如果駕駛員切換至Sport或Sport+模式，引擎靈敏度增強，駕駛室內的聲音體驗變得刺耳。圖2展示了一些實(shí)際應用案例。越來(lái)越多的車(chē)載信息娛樂(lè )系統選用高度集成的系統級芯片(SoC)、高性能標準CPU與軟件基礎設施以支持ASD技術(shù)。

 

信息娛樂(lè )系統之前世今生

 

如果現代信息娛樂(lè )系統搭載具有多個(gè)(通常是無(wú)線(xiàn))接口的通訊集線(xiàn)器，即可實(shí)現高度集成，功能也會(huì )更加豐富。實(shí)現這一目標并不簡(jiǎn)單，因為封裝尺寸及功耗都有很大的局限性，還必須滿(mǎn)足散熱需求。從設計角度來(lái)看，信息娛樂(lè )系統通常需要搭載強大的標準多核處理器，操作系統和中間件也要足夠開(kāi)放以支持不同平臺。很多系統設計師選擇使用跨功能SoC來(lái)支持車(chē)載無(wú)線(xiàn)電調諧器和音頻功能。

 

 

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(lè )系統開(kāi)發(fā)SoC時(shí)，必須考慮主動(dòng)降噪技術(shù)對音頻信號的獨特需求：

 

·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)目標輸出通路)；

 

·源匯不同步，時(shí)鐘域不同；

 

·復雜的信號處理和模塊處理；

 

·不支持中斷和同步功能。免提語(yǔ)音控制和緩沖等應用需要低延遲環(huán)境。

 

回顧第一代主動(dòng)音響系統，汽車(chē)設計師在車(chē)輛上增加了一個(gè)額外的控制單元，利用DSP進(jìn)行功率放大器和揚聲器音頻信號控制，以營(yíng)造車(chē)載麥克風(fēng)與揚聲器系統所需的低延遲環(huán)境。新一代系統中，設計師將主動(dòng)降噪技術(shù)集成到基于DSP的強大功放。然而，這一方案十分昂貴，不適用于經(jīng)濟型汽車(chē)。

 

在當今的經(jīng)濟型汽車(chē)中，功放通常集成于音響主機中的無(wú)線(xiàn)電組件。音響主機則在大型嵌入式CPU或多CPU平臺上運行，為導航、信息娛樂(lè )和智能手機應用提供支持。此方案可以保證所需的計算能力，但無(wú)法實(shí)現低延遲環(huán)境。這一沖突通常是由OS-Linux操作系統引起的，OS-Linux在任務(wù)切換時(shí)僅能實(shí)現100ms延遲，遠遠滿(mǎn)足不了ANC的最低要求。

 

為滿(mǎn)足音頻組件的低延遲和成本需求，分流主處理器負載并將小型專(zhuān)用DSP集成到So C以實(shí)現主動(dòng)降噪是個(gè)不錯的選擇。這樣一來(lái)，主處理器可以專(zhuān)注于運行計算密集型任務(wù)；DSP則可收集車(chē)輛、麥克風(fēng)和揚聲器的數據，并為這些應用執行功能軟件。Cadence的Tensilica HiFi DSP支持超過(guò)160種音頻、聲音、語(yǔ)音識別以及音頻和語(yǔ)音增強軟件包， 該IP支持所有SoC設計。DSP提供充足的計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(chǎng)擴展。

 

 

利用ANC和ASD等音頻技術(shù)，汽車(chē)制造商可以最大限度地降低引擎噪音并創(chuàng )造出獨特的發(fā)動(dòng)機聲效。搭載支持ANC和ASD算法的小型低功耗專(zhuān)屬DSP，主處理器工作負載可以有效分流，滿(mǎn)足車(chē)輛對系統性能、能耗和成本的需求。

本文來(lái)源于電子技術(shù)設計。