降低汽車音響系統(tǒng)噪聲與功耗應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

　　ADAU1401是一款完整的單芯片音頻系統(tǒng)，包括完全可程序的28/56位音頻DSP、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）及類似微控制器的控制接口。信號(hào)處理包括均衡、低音增強(qiáng)、多頻段動(dòng)態(tài)處理、延遲補(bǔ)償、揚(yáng)聲器補(bǔ)償和立體聲聲場加寬。這種處理技術(shù)可與高階演播室設(shè)備的效果相媲美，能夠彌補(bǔ)由于揚(yáng)聲器、功率放大器和聽音環(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開發(fā)工具，用戶可以使用不同的功能模塊以圖形化的方式配置信號(hào)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(shè)備不同，車載音響系統(tǒng)配有高功率放大器，每個(gè)功率放大器能夠提供高達(dá)40W-50W功率，每輛汽車至少有四個(gè)揚(yáng)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(shè)揚(yáng)聲器靈敏度約為90dB/W，則4Ω揚(yáng)聲器中的1mV rms噪聲可以產(chǎn)生大約24dB的聲壓級(jí)（SPL），這一水平噪聲人耳在安靜環(huán)境下就能夠感受到。可能的噪聲源非常多，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(dāng)引起的噪聲VE。而其中的VO是來自處理器的音頻信號(hào)，VIN是揚(yáng)聲器功率放大器的音頻輸入信號(hào)。

　　圖1：車載音響系統(tǒng)的噪聲源示例。

　　電源開關(guān)期間的爆音

　　車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提供信號(hào)隔離。在電源開/關(guān)期間，電容器以極快的速度充電/放電，產(chǎn)生的電壓跳變沿著信號(hào)鏈傳播，最終導(dǎo)致?lián)P聲器發(fā)出爆音。圖2顯示了這一過程。

　　圖2：揚(yáng)聲器產(chǎn)生爆音的原理。

　　雖然知道噪聲層和爆音的來源，而且也努力采用良好的電路設(shè)計(jì)和布局布線技術(shù)，以及選擇噪聲更低的優(yōu)良組件來降低信號(hào)源處的噪聲，但在設(shè)計(jì)過程中仍然可能出現(xiàn)許多不確定性。汽車多媒體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要處理許多復(fù)雜問題，因此必須具備高水平的模擬/混合信號(hào)設(shè)計(jì)技能。即便如此，原型產(chǎn)品的性能仍有可能與預(yù)期不符。例如，1mV rms的噪聲水平會(huì)帶來巨大挑戰(zhàn)。至于爆音，現(xiàn)有解決方案使用MCU在電源開關(guān)期間控制功率放大器的時(shí)序，但當(dāng)該處理單元距離功率放大器較遠(yuǎn)時(shí)，布局布線和電磁干擾（EMI）會(huì)構(gòu)成潛在問題。

　　功耗

　　隨著車載電子設(shè)備越來越多，功耗問題變得日趨嚴(yán)重。例如，如果音頻功率放大器的靜態(tài)電流達(dá)到200mA，則采用12V電源時(shí)靜態(tài)功耗就高達(dá)2.4W。如果有一種方法能檢測到?jīng)]有輸入信號(hào)或信號(hào)足夠小，進(jìn)而關(guān)閉功率放大器，那么在已開機(jī)但不需要揚(yáng)聲器發(fā)出聲音的時(shí)候，就可以節(jié)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(tǒng)噪聲和功耗，同時(shí)不增加硬件成本。圖3是一個(gè)4揚(yáng)聲器車載音響系統(tǒng)架構(gòu)，其中ADAU1401 SigmaDSP處理器作為音訊后處理器。除了采樣、轉(zhuǎn)換、音頻信號(hào)數(shù)字處理和產(chǎn)生額外的揚(yáng)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I2C接口與SigmaDSP處理器進(jìn)行通訊，模擬輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)采用精密運(yùn)算放大器ADA4075-2的低通濾波器/緩沖器級(jí)。

　　圖3：四揚(yáng)聲器車載音響系統(tǒng)。

　　SigmaDSP處理器與功率放大器之間的紅色信號(hào)線控制功率放大器的靜音/待機(jī)接腳。在正常默認(rèn)工作模式下，開集GPIO1接腳透過10kΩ上拉電阻設(shè)置為高電平（圖中未標(biāo)注）。ADAU1401具有均方根信號(hào)檢測功能，可確定是否存在輸入信號(hào)。當(dāng)沒有輸入信號(hào)時(shí)，GPIO1變?yōu)榈碗娖剑β史糯笃髦糜陟o音/待機(jī)模式，因而揚(yáng)聲器沒有噪聲輸出，同時(shí)功率放大器的待機(jī)功耗也很低。當(dāng)檢測到高于預(yù)定閾值（例如-45dB）的輸入信號(hào)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(hào)的高訊息噪聲比（SNR）將其屏蔽，使它不易被人耳感知到。

　　電源開關(guān)期間，SigmaDSP處理器（而不是MCU）透過響應(yīng)MCU的命令直接控制功率放大器的靜音/待機(jī)。例如，在電源接通期間，來自MCU的控制信號(hào)透過I2C接口設(shè)置SigmaDSP處理器的GPIO1，使之保持低電平（靜音），直到預(yù)定的電容器充電過程完成，然后MCU將GPIO1設(shè)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(jī)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，因此布局布線和EMI控制也更容易實(shí)現(xiàn)。

　　如上所述，利用SigmaStudio軟件算法可以測量輸入信號(hào)的均方根電平。使用SigmaStudio圖形開發(fā)工具，很容易設(shè)置均方根檢測模塊，并用它來控制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(xiàn)。信號(hào)閾值必須具有遲滯功能，用以消除靜音功能響應(yīng)小變化而產(chǎn)生的震顫。例如RMS1閾值設(shè)置為-45dB，RMS2閾值設(shè)置為-69dB。當(dāng)輸入信號(hào)高于-45dB時(shí)，GPIO1為高電平。當(dāng)輸入信號(hào)低于-69dB時(shí)，GPIO1為低電平。當(dāng)輸入信號(hào)位于這兩個(gè)閾值之間時(shí)，GPIO1輸出信號(hào)保持先前所處的狀態(tài)（參見圖5）。

　　圖5：RMS閾值設(shè)置以及輸入與輸出之間的關(guān)系。

　　噪聲和功耗是車載音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的巨大挑戰(zhàn)。ADI公司的SigmaDSP處理器已廣泛應(yīng)用于車載音響系統(tǒng)的數(shù)字音頻后處理，若利用其均方根檢測和GPIO控制功能來顯著降低噪聲和功耗，則能進(jìn)一步發(fā)揮更大作用。SigmaStudio圖形化開發(fā)工具支持以圖形方式設(shè)置各種功能，而不需要編寫程序代碼，令設(shè)計(jì)工作倍加簡單。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處理器來控制靜音功能，可以簡化布局布線工作并提高EMI抗擾度。