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第45卷

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利用SigmaDSP减小车载音响系统的噪音和功耗

作者:王一兵

如今,随着多媒体技术逐渐被车载电子设备所采用, 数字信号处理器(DSP)也获得了越来越广泛的应用, 用以对音频信号进行数字化处理。例如,车载多媒体系统取代传统的汽车收音机和CD系统,在此多媒体系统中采用DSP, 例如ADI的 ADAU1401 SigmaDSP®,可以实现更出色的音效和高度灵活性,为乘客提供丰富多彩的多媒体体验。此外这些DSP还提供了一个有用的工具, 可实现减小系统噪音和功耗的功能, 这对于关注噪音和功耗问题的系统工程师来说很有用。本文介绍了这种新方法, 利用 SigmaDSP处理器和 SigmaStudio 图形开发工具来减小车载音响系统的噪音和功耗。

ADAU1401是一款完整的单芯片音频系统,包括完全可编程的28/56位音频DSP、模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)及类似微控制器的控制接口。信号处理包括均衡、低音增强、多频段动态处理、延迟补偿、扬声器补偿和立体声声场加宽。这种处理技术可与高端演播室设备的效果相媲美,能够弥补由于扬声器、功放和听音环境的实际限制所引起的失真,从而明显改善音质。

借助方便易用的SigmaStudio开发工具,用户可以使用不同的功能模块以图形化的方式配置信号处理流程, 例如双二阶滤波器、动态处理器、电平控制和GPIO接口控制等模块。

噪底
与便携式设备不同,车载音响系统配有高功率放大器,每个功放能够提供高达40 W-50 W功率,每辆汽车至少有四个扬声器。由于功率较大, 噪底很容易被放大,使得人耳在安静的环境下就能感受到。例如,假设扬声器灵敏度约为90 dB/W,则4 Ω扬声器中的1 mV rms噪声可以产生大约24 dB的声压级(SPL),这一水平噪音人耳在安静环境下就能够感受到。可能的噪声源有很多, 如图1所示,主要噪声源包括电源噪声(VG)、滤波器/缓冲器噪声(VF)以及电源接地布局不当引起的噪声VE。VO是来自处理器的音频信号,VIN是扬声器功率放大器的音频输入信号。

图1. 车载音响系统的噪声源示例

电源开关期间的爆音:车载音频功率放大器一般采用12 V单电源供电,而DSP则需要使用低压电源(例如3.3 V),滤波器/缓冲器可能采用双电源供电(例如±9 V)。在以不同的电源电压工作的各部分电路之间,必须使用耦合电容来提供信号隔离。在电源开/关期间,电容以极快的速度充电/放电,产生的电压跳变沿着信号链传播,最终导致扬声器发出爆音。图2显示了这一过程。

图2. 扬声器产生爆音的原理

虽然知道噪底和爆音的来源,而且也努力采用良好的电路设计和布局布线技术,以及选择噪声更低的优良器件来降低信号源处的噪声,但在设计过程中仍然可能出现许多不确定性。汽车多媒体系统的设计人员必须处理许多复杂问题,因此必须具备高水平的模拟/混合信号设计技能。即便如此,原型产品的性能仍有可能与原来的预期不符。例如,1 mV rms的噪声水平会带来巨大挑战。至于爆音,现有解决方案使用MCU来控制电源开关期间功率放大器的操作顺序,但当MCU距离功率放大器较远时,布局布线和电磁干扰(EMI)会构成潜在问题。

功耗
随着车载电子设备越来越多,功耗问题变得日趋严重。例如,如果音频功率放大器的静态电流达到200 mA,则采用12 V电源时,静态功耗就高达2.4 W。如果有一种方法能检测到没有输入信号或信号足够小,进而关闭功率放大器,那么在已开机但不需要扬声器发出声音的时候,就可以节省不少功耗。

将车载音响系统的噪声和功耗降至最低
利用SigmaDSP技术,就可以提供这样一种方法, 可以减小系统噪声和功耗,同时不增加硬件成本。图3是一个4扬声器车载音响系统的框图,其中ADAU1401 SigmaDSP处理器用作音频后处理器。除了采样、转换、音频信号数字处理和生成额外的扬声器通道以外,SigmaDSP处理器还具有通用输入/输出(GPIO)引脚可用于外部控制。微控制器(MCU)通过I2C接口与SigmaDSP处理器进行通信,模拟输出驱动一个采用精密运算放大器 ADA4075-2的低通滤波器/缓冲器级。

图3. 四扬声器车载音响系统

SigmaDSP处理器与功率放大器之间的红色信号线控制功率放大器的静音/待机引脚。在正常默认工作模式下,开集GPIO1引脚通过10 kΩ上拉电阻设置为高电平(图中未标注)。ADAU1401具有均方根信号检测功能,可确定是否存在输入信号。当没有输入信号时,GPIO1变为低电平,功率放大器置于静音/待机模式,因而扬声器没有噪声输出,同时功放的待机功耗也很低。当检测到高于预定阈值(例如–45 dB)的输入信号时,GPIO1变为高电平,功率放大器正常工作。这时虽然噪底仍然存在,但由于信号的高信噪比(SNR)将其屏蔽,使它不易被人耳感知到。

电源开关期间,SigmaDSP处理器(而不是MCU)通过响应MCU的命令直接控制功率放大器的静音/待机。例如,在电源接通期间,来自MCU的控制信号通过I2C接口设置SigmaDSP处理器的GPIO1,使之保持低电平(静音),直到预定的电容充电过程完成,然后MCU将GPIO1设置为高电平,由此消除启动瞬变所引起的爆音。关闭电源时,GPIO立即变为低电平,使功率放大器处于静音/待机状态,从而消除电源切断时产生的爆音。将功率放大器置于SigmaDSP处理器而不是MCU的直接控制之下的原因是SigmaDSP处理器通常距离功率放大器更近,因此布局布线和EMI控制也更容易实现。

如上所述,利用SigmaStudio软件算法可以测量输入信号的均方根电平。使用SigmaStudio图形开发工具,很容易设置均方根检测模块,并用它来控制GPIO状态,如图4的范例所示。

图4. SigmaStudio均方根检测、GPIO控制和压限器电路图

均方根检测功能利用均方根算法单元和逻辑单元实现。信号阈值必须具有迟滞功能,用以消除静音功能响应小变化而产生的震颤。例如RMS1阈值设置为–45 dB,RMS2阈值设置为–69 dB。当输入信号高于–45 dB时,GPIO1为高电平。当输入信号低于–69 dB时,GPIO1为低电平。当输入信号位于这两个阈值之间时,GPIO1输出信号保持先前所处的状态(参见图5)。

图4还显示了用以进一步降低输出噪声的压限器功能。例如,当输入信号低于–75 dB时,扬声器系统的输出信号将会衰减到–100 dB,从而也降低了系统噪底。

图5. RMS阈值设置以及输入与输出之间的关系

总结
噪声和功耗是车载音响系统设计面临的巨大挑战。ADI公司的SigmaDSP处理器已广泛应用于车载音响系统的数字音频后处理,若利用其均方根检测和GPIO控制功能来显著降低噪声和功耗,则能进一步发挥更大作用。SigmaStudio图形化开发工具支持以图形方式设置各种功能,而不需要编写代码,令设计工作倍加简单。此外,由于功率放大器模块通常离SigmaDSP处理器比离MCU更近,因此用SigmaDSP处理器来控制静音功能,可以简化布局布线工作并提高EMI抗扰度。

关于作者
Ben Wang [ben.wang@analog.com]是ADI公司中国深圳的现场应用工程师(FAE),毕业于湖南大学。他于2009年6月加入ADI公司,此前在National Semiconductor工作过六年。
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