打造身臨其境的汽車(chē)音頻體驗

從 1930 年代汽車(chē)音響作為簡(jiǎn)單的 AM 儀表板噪聲源開(kāi)始，到今天完全沉浸式、多揚聲器、數百（甚至數千）瓦的劇院式環(huán)境，這是一段非凡的旅程。

早期的高端汽車(chē)音響是一個(gè)利基市場(chǎng)，由少數發(fā)燒友推動(dòng)，他們尋求為輪式環(huán)境帶來(lái)更好的聲音體驗。最終，隨著(zhù)音頻技術(shù)的進(jìn)步，小眾音頻市場(chǎng)很快采用了它。今天，幾乎入門(mén)級的車(chē)輛擁有某種形式的優(yōu)質(zhì)音頻環(huán)境。

然而，這段旅程并非沒(méi)有挑戰。隨著(zhù)系統功率的增加，音頻放大器的占用空間變得笨重。AB 類(lèi)放大器需要大量的車(chē)輛功率和越來(lái)越大的熱管理解決方案。因此，設計師開(kāi)始尋找新的方向，以吸引電力怪物，尤其是對于每一瓦特都寶貴的電動(dòng)汽車(chē)。

一些組件（如 RF 前端和前置放大器）是高度集成的，并且具有相對較小的尺寸和功率要求。它們不會(huì )特別挑戰空間或功率限制。但是，高功率 AB 類(lèi)音頻放大器可以。它們是效率相對較低的設備，最大的音頻系統組件（揚聲器除外）是更高效的音頻系統設計面臨的主要挑戰。

第二個(gè)挑戰是機艙環(huán)境。除了這些高功率系統之外，還需要改進(jìn)機艙以獲得更好的聲學(xué)特性。

應用物理聲學(xué)解決方案有其局限性。物理材料只會(huì )增加重量并占用空間，這是不切實(shí)際的。因此，設計師再次尋求技術(shù)解決方案。

他們通過(guò) D 類(lèi)放大器和高度集成的微控制器找到了它們。讓我們深入了解一下設計師如何將汽車(chē)音響發(fā)展成當今的沉浸式系統。

首先是音頻放大器

多年來(lái)，主打產(chǎn)品是 AB 類(lèi)音頻放大器。它的模擬輸出設計允許該設備直接連接到揚聲器，電路中除了電容器之外什么都沒(méi)有。然而，隨著(zhù)電力需求的增加，AB 類(lèi)變得笨拙。高功率系統的冷卻和電源要求導致占用空間大，需要強大的熱管理，即大型散熱器、良好的通風(fēng)和大量可用電力——在許多輪式環(huán)境中都是寶貴的商品。

設計人員決定用 D 類(lèi)電路取代根深蒂固、效率適中（通常為 50% 至 70%）的 AB 類(lèi)電路。D 類(lèi)是一個(gè)理想的解決方案。這是一個(gè)交換平臺，效率更高（超過(guò) 90%）。D 類(lèi)的效率意味著(zhù)放大器使用更少的功率并產(chǎn)生更少的熱量，從而實(shí)現更小、更耗電的占用空間。

然而，有一個(gè)陷阱（當然）。雖然 D 類(lèi)電路已經(jīng)克服了早期的音質(zhì)問(wèn)題，但它們的數字信號無(wú)法直接連接到揚聲器。此外，該信號包含不可接受的紋波量。這意味著(zhù)在放大器和揚聲器的輸出之間需要額外的組件。一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟高效的解決方案是通過(guò) L/C 濾波器耦合揚聲器。此濾波器提供適當的輸出信號和濾波。

然而，放大器的高功率輸出使 L/C 元件變得很大，尤其是串聯(lián)電感器。每個(gè)音頻通道需要兩個(gè)電感器。需要一個(gè)更好的解決方案。

該設計采用新型 D 類(lèi)音頻放大器，具有較慢的開(kāi)關(guān)速度 （2.1 MHz） 和專(zhuān)有的單電感器 （1L） 調制技術(shù)。通過(guò)取消一個(gè)電感并重新設計剩余的電感，這種創(chuàng )新設計允許使用更小、更具成本效益的電路（圖 1）。這滿(mǎn)足了優(yōu)質(zhì)音頻的高功率需求，優(yōu)化了空間和成本。

圖1. 省去一個(gè)電感器并重新設計剩余的電感器，從而實(shí)現了更緊湊的 D 類(lèi)放大器。管理小屋

設計師接下來(lái)解決了機艙環(huán)境問(wèn)題。如前所述，為聲學(xué)環(huán)境管理添加物理介質(zhì)不是一個(gè)可接受的解決方案。這種材料的空間很小，它只是增加了更多的重量。

因此，唯一的選擇是用技術(shù)來(lái)補償環(huán)境。這以最先進(jìn)的、高度集成的汽車(chē)處理器的形式出現，例如 AM62D-Q1 處理器和 AM275x-Q1 微控制器 （MCU）。

微控制器在高端音頻系統中已經(jīng)使用了一段時(shí)間。典型設計采用分布在多個(gè)傳感器和麥克風(fēng)上的多個(gè) IC、MCU 和數字處理器 （DSP）（圖 2）。雖然實(shí)現了預期的結果，但這會(huì )導致系統復雜性、占用空間和成本增加。

圖2. 典型的音頻系統設計采用分布在多個(gè)傳感器和麥克風(fēng)上的多個(gè) IC、MCU 和數字處理器。

為了解決這種分布式架構問(wèn)題，設計人員轉向了通過(guò)傳統算法和基于 AI 的算法增強的下一代 MCU。這些設計與高性能音頻放大器 IC （TAS6754-Q1） 和電源管理 IC （TPS65224-Q1） 相結合，實(shí)現了降低成本和復雜性的目標（圖 3）。

圖3. 開(kāi)發(fā)先進(jìn)的分布式架構通常涉及整合通過(guò)傳統和基于 AI 的算法增強的下一代 MCU，以及高性能音頻放大器 IC （TAS6754-Q1） 和電源管理 IC （TPS65224-Q1）。

這種單芯片架構通過(guò)將多個(gè)高端音頻功能整合到單個(gè)集成電路中，大大簡(jiǎn)化了音頻系統設計。這項創(chuàng )新減少了對多個(gè)芯片組件的依賴(lài)，這既使制造復雜化又增加了成本。單芯片解決方案可提高性能，最大限度地降低功耗，并簡(jiǎn)化整體系統架構。

真實(shí)世界的可見(jiàn)性

使用這些集成組件實(shí)現系統設計不僅使其更簡(jiǎn)單，而且還在車(chē)輛性能和功能方面提供了許多特性和增強功能。

首先，它可以提高安全性。這種基于 AI 的系統能夠分析車(chē)輛的內部和外部環(huán)境。外部揚聲器可以提醒行人附近有車(chē)輛。而且，特別是對于電動(dòng)汽車(chē)，它們會(huì )模擬機艙內的發(fā)動(dòng)機聲音。

另一個(gè)功能是系統可以定制聲音的發(fā)源位置，例如減少外部揚聲器并將聲音路由到駕駛員后面的頭枕以進(jìn)行電話(huà)呼叫。

可擴展性是另一個(gè)好處。集成系統使添加功能或升級變得更加簡(jiǎn)單。只有一個(gè)中心組件需要處理。

結論

隨著(zhù)組件變得更加先進(jìn)和集成，汽車(chē)音響將繼續飆升至新的高度。車(chē)輛已經(jīng)與通信、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、交通基礎設施、衛星等集成在一起。車(chē)輛音響將變得更加身臨其境，同時(shí)監控內部和外部的環(huán)境，并提供一個(gè)在許多不同元素之間緊密相連的座艙音響環(huán)境。