隨著多媒體技術(shù)逐漸被車(chē)載電子設(shè)備所采用，數(shù)字信號(hào)處理器也獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，用以對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。例如，車(chē)載多媒體系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的汽車(chē)收音機(jī)和CD系統(tǒng)，在車(chē)載多媒體系統(tǒng)中采用DSP，諸如ADI的ADAU1401 SigmaDSP，可以實(shí)現(xiàn)更出色的音效和高度靈活性，為乘客提供豐富多彩的多媒體體驗(yàn)。此外這些DSP還提供了一個(gè)有用的工具，可實(shí)現(xiàn)減少系統(tǒng)噪聲和功耗的功能，這對(duì)于關(guān)注噪聲和功耗問(wèn)題的系統(tǒng)工程師來(lái)說(shuō)大有裨益。

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(lèi)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(chǎng)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(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(chē)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(chē)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?？赡艿脑肼曉捶浅６啵鐖D1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(lái)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(chē)載音響系統(tǒng)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(hào)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(guò)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(lái)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(lái)降低信號(hào)源處的噪聲，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中仍然可能出現(xiàn)許多不確定性。汽車(chē)多媒體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要處理許多復(fù)雜問(wèn)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(lái)巨大挑戰(zhàn)。至于爆音，現(xiàn)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(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(wèn)題。

功耗

隨著車(chē)載電子設(shè)備越來(lái)越多，功耗問(wèn)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(cè)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(kāi)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(chē)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(guò)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(chē)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(kāi)集GPIO1接腳透過(guò)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(cè)功能，可確定是否存在輸入信號(hào)。當(dāng)沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，GPIO1變?yōu)榈碗娖?，功率放大器置于靜音/待機(jī)模式，因而揚(yáng)聲器沒(méi)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(cè)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(kāi)關(guān)期間，SigmaDSP處理器(而不是MCU)透過(guò)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(lái)自MCU的控制信號(hào)透過(guò)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(guò)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(cè)量輸入信號(hào)的均方根電平。使用SigmaStudio圖形開(kāi)發(fā)工具，很容易設(shè)置均方根檢測(cè)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(cè)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(jiàn)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(chē)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(chē)載音響系統(tǒng)的數(shù)字音頻后處理，若利用其均方根檢測(cè)和GPIO控制功能來(lái)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(kāi)發(fā)工具支持以圖形方式設(shè)置各種功能，而不需要編寫(xiě)程序代碼，令設(shè)計(jì)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)化布局布線工作并提高EMI抗擾度。