降低汽車(chē)音響系統噪聲與功耗應用電路設計
ADAU1401是一款完整的單芯片音頻系統,包括完全可程序的28/56位音頻DSP、模擬數字轉換器(ADC)、數字模擬轉換器(DAC)及類(lèi)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(dòng)態(tài)處理、延遲補償、揚聲器補償和立體聲聲場(chǎng)加寬。這種處理技術(shù)可與高階演播室設備的效果相媲美,能夠彌補由于揚聲器、功率放大器和聽(tīng)音環(huán)境的實(shí)際限制所引起的失真,因而明顯改善音質(zhì)。
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/201612/332482.htm借助方便易用的Sigma Studio開(kāi)發(fā)工具,用戶(hù)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(dòng)態(tài)處理器、電平控制和GPIO接口控制等模塊。與可攜式設備不同,車(chē)載音響系統配有高功率放大器,每個(gè)功率放大器能夠提供高達40W-50W功率,每輛汽車(chē)至少有四個(gè)揚聲器。由于功率較大,噪聲層很容易被放大,使得人耳在安靜的環(huán)境下就能感受到。例如,假設揚聲器靈敏度約為90dB/W,則4Ω揚聲器中的1mV rms噪聲可以產(chǎn)生大約24dB的聲壓級(SPL),這一水平噪聲人耳在安靜環(huán)境下就能夠感受到??赡艿脑肼曉捶浅6?,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引起的噪聲VE。而其中的VO是來(lái)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(chē)載音響系統的噪聲源示例。
電源開(kāi)關(guān)期間的爆音
車(chē)載音響功率放大器一般采用12V單電源供電,而DSP則需要使用低壓電源(例如3.3V),濾波器/緩沖器可能采用雙電源供電(例如±9V)。在以不同的電源電壓工作的各部份電路之間,必須使用耦合電容器來(lái)提供信號隔離。在電源開(kāi)/關(guān)期間,電容器以極快的速度充電/放電,產(chǎn)生的電壓跳變沿著(zhù)信號鏈傳播,最終導致?lián)P聲器發(fā)出爆音。圖2顯示了這一過(guò)程。
圖2:揚聲器產(chǎn)生爆音的原理。
雖然知道噪聲層和爆音的來(lái)源,而且也努力采用良好的電路設計和布局布線(xiàn)技術(shù),以及選擇噪聲更低的優(yōu)良組件來(lái)降低信號源處的噪聲,但在設計過(guò)程中仍然可能出現許多不確定性。汽車(chē)多媒體系統的設計人員需要處理許多復雜問(wèn)題,因此必須具備高水平的模擬/混合信號設計技能。即便如此,原型產(chǎn)品的性能仍有可能與預期不符。例如,1mV rms的噪聲水平會(huì )帶來(lái)巨大挑戰。至于爆音,現有解決方案使用MCU在電源開(kāi)關(guān)期間控制功率放大器的時(shí)序,但當該處理單元距離功率放大器較遠時(shí),布局布線(xiàn)和電磁干擾(EMI)會(huì )構成潛在問(wèn)題。
功耗
隨著(zhù)車(chē)載電子設備越來(lái)越多,功耗問(wèn)題變得日趨嚴重。例如,如果音頻功率放大器的靜態(tài)電流達到200mA,則采用12V電源時(shí)靜態(tài)功耗就高達2.4W。如果有一種方法能檢測到?jīng)]有輸入信號或信號足夠小,進(jìn)而關(guān)閉功率放大器,那么在已開(kāi)機但不需要揚聲器發(fā)出聲音的時(shí)候,就可以節省不少功耗。
將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,可以減少系統噪聲和功耗,同時(shí)不增加硬件成本。圖3是一個(gè)4揚聲器車(chē)載音響系統架構,其中ADAU1401 SigmaDSP處理器作為音訊后處理器。除了采樣、轉換、音頻信號數字處理和產(chǎn)生額外的揚聲器通道以外,SigmaDSP處理器還具有GPIO接腳適用于外部控制。MCU透過(guò)I2C接口與SigmaDSP處理器進(jìn)行通訊,模擬輸出驅動(dòng)一個(gè)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(chē)載音響系統。
SigmaDSP處理器與功率放大器之間的紅色信號線(xiàn)控制功率放大器的靜音/待機接腳。在正常默認工作模式下,開(kāi)集GPIO1接腳透過(guò)10kΩ上拉電阻設置為高電平(圖中未標注)。ADAU1401具有均方根信號檢測功能,可確定是否存在輸入信號。當沒(méi)有輸入信號時(shí),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(méi)有噪聲輸出,同時(shí)功率放大器的待機功耗也很低。當檢測到高于預定閾值(例如-45dB)的輸入信號時(shí),GPIO1變?yōu)楦唠娖?,功率放大器正常工作。這時(shí)雖然噪聲層仍然存在,但由于信號的高訊息噪聲比(SNR)將其屏蔽,使它不易被人耳感知到。
電源開(kāi)關(guān)期間,SigmaDSP處理器(而不是MCU)透過(guò)響應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(lái)自MCU的控制信號透過(guò)I2C接口設置SigmaDSP處理器的GPIO1,使之保持低電平(靜音),直到預定的電容器充電過(guò)程完成,然后MCU將GPIO1設置為高電平,由此消除啟動(dòng)瞬變所引起的爆音。關(guān)閉電源時(shí),GPIO立即變?yōu)榈碗娖?,使功率放大器處于靜音/待機狀態(tài),因而消除電源切斷時(shí)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(xiàn)和EMI控制也更容易實(shí)現。
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(kāi)發(fā)工具,很容易設置均方根檢測模塊,并用它來(lái)控制GPIO狀態(tài),如圖4的范例所示。
均方根檢測功能利用均方根算法單元和邏輯單元實(shí)現。信號閾值必須具有遲滯功能,用以消除靜音功能響應小變化而產(chǎn)生的震顫。例如RMS1閾值設置為-45dB,RMS2閾值設置為-69dB。當輸入信號高于-45dB時(shí),GPIO1為高電平。當輸入信號低于-69dB時(shí),GPIO1為低電平。當輸入信號位于這兩個(gè)閾值之間時(shí),GPIO1輸出信號保持先前所處的狀態(tài)(參見(jiàn)圖5)。
圖5:RMS閾值設置以及輸入與輸出之間的關(guān)系。
噪聲和功耗是車(chē)載音響系統設計面臨的巨大挑戰。ADI公司的SigmaDSP處理器已廣泛應用于車(chē)載音響系統的數字音頻后處理,若利用其均方根檢測和GPIO控制功能來(lái)顯著(zhù)降低噪聲和功耗,則能進(jìn)一步發(fā)揮更大作用。SigmaStudio圖形化開(kāi)發(fā)工具支持以圖形方式設置各種功能,而不需要編寫(xiě)程序代碼,令設計工作倍加簡(jiǎn)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(lái)控制靜音功能,可以簡(jiǎn)化布局布線(xiàn)工作并提高EMI抗擾度。
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