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)。

　　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。