節能技術雖然推動了環保汽車的發展，卻也造成駕駛室噪音問題的加劇。為降低噪音，汽車工程師利用車載音頻系統實現主動降噪控制(ANC)。汽車制造商致力于應用主動音效設計(ASD)技術產生獨特的引擎聲音，以達到降噪效果。本文旨在探討如何應用專屬音頻DSP助力ANC和ASD系統減少延遲、提高性能并降低成本。

 

 

特定駕駛條件下，棄用減振材料并利用更少的氣缸實現更高引擎效率，是打造節能汽車的重要手段。然而，這項節能技術卻無法最大程度減少駕駛室內的噪聲。舉個例子，缸徑小的發動機轉速(RPM)也較低，低頻率運轉會產生更大的噪聲。為此，汽車工程師求助于ANC技術以期實現主動降噪。

 

圖1：典型的客車主動降噪系統。

 

ANC技術基于相干聲學原理， 旨在精確復原所有噪聲來源在任意時間的原始聲場，包括實時及反相噪音。ANC系統接入車載音響與麥克風，通過在無線電或音響系統中使用信號處理產生反相位噪音，抵消發動機噪聲，實現主動降噪。在音頻子系統中搭載小型DSP非常有效，主處理器也可以更專注于計算密集型任務。圖1展示了典型的客車主動降噪系統設計原理。發動機噪聲頻率范圍通常在30～250Hz之間，揚聲器系統應生成相同頻率的反相位噪聲以抵消噪音。ANC技術還可用于混合動力汽車，減少電池充電時產生的噪音。

 

圖2：不同主動音響設計環境的分貝水平。

 

如今，眾多主流車型將主動聲學技術與車載信息娛樂系統集成起來影響汽車的聲效，也就是我們通常所稱的ASD。以寶馬M5為例，該車型支持數字信號處理，與引擎管理器進行數據交換，并根據轉速、扭矩、汽車行駛速度等信息生成不同的引擎運行聲音。如果駕駛員切換至Sport或Sport+模式，引擎靈敏度增強，駕駛室內的聲音體驗變得刺耳。圖2展示了一些實際應用案例。越來越多的車載信息娛樂系統選用高度集成的系統級芯片(SoC)、高性能標準CPU與軟件基礎設施以支持ASD技術。

 

信息娛樂系統之前世今生

 

如果現代信息娛樂系統搭載具有多個(通常是無線)接口的通訊集線器，即可實現高度集成，功能也會更加豐富。實現這一目標并不簡單，因為封裝尺寸及功耗都有很大的局限性，還必須滿足散熱需求。從設計角度來看，信息娛樂系統通常需要搭載強大的標準多核處理器，操作系統和中間件也要足夠開放以支持不同平臺。很多系統設計師選擇使用跨功能SoC來支持車載無線電調諧器和音頻功能。

 

 

主動降噪技術對延遲有要求，因此并不適用于主流音頻框架。所以，為信息娛樂系統開發SoC時，必須考慮主動降噪技術對音頻信號的獨特需求：

 

·高帶寬，48kHz采樣頻率；

 

·高動態范圍，≥24bit；

 

·多通路(≥20個音頻輸入通路，20個目標輸出通路)；

 

·源匯不同步，時鐘域不同；

 

·復雜的信號處理和模塊處理；

 

·不支持中斷和同步功能。免提語音控制和緩沖等應用需要低延遲環境。

 

回顧第一代主動音響系統，汽車設計師在車輛上增加了一個額外的控制單元，利用DSP進行功率放大器和揚聲器音頻信號控制，以營造車載麥克風與揚聲器系統所需的低延遲環境。新一代系統中，設計師將主動降噪技術集成到基于DSP的強大功放。然而，這一方案十分昂貴，不適用于經濟型汽車。

 

在當今的經濟型汽車中，功放通常集成于音響主機中的無線電組件。音響主機則在大型嵌入式CPU或多CPU平臺上運行，為導航、信息娛樂和智能手機應用提供支持。此方案可以保證所需的計算能力，但無法實現低延遲環境。這一沖突通常是由OS-Linux操作系統引起的，OS-Linux在任務切換時僅能實現100ms延遲，遠遠滿足不了ANC的最低要求。

 

為滿足音頻組件的低延遲和成本需求，分流主處理器負載并將小型專用DSP集成到So C以實現主動降噪是個不錯的選擇。這樣一來，主處理器可以專注于運行計算密集型任務；DSP則可收集車輛、麥克風和揚聲器的數據，并為這些應用執行功能軟件。Cadence的Tensilica HiFi DSP支持超過160種音頻、聲音、語音識別以及音頻和語音增強軟件包， 該IP支持所有SoC設計。DSP提供充足的計算資源以支持其它音頻處理算法，包括聲學回聲消除、波束形成和聲場擴展。

 

 

利用ANC和ASD等音頻技術，汽車制造商可以最大限度地降低引擎噪音并創造出獨特的發動機聲效。搭載支持ANC和ASD算法的小型低功耗專屬DSP，主處理器工作負載可以有效分流，滿足車輛對系統性能、能耗和成本的需求。

本文來源于電子技術設計。