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利用SigmaDSP減小車載音響系統的噪音和功耗

更新時間：2011-5-12 7:59:09 　（編輯：溫情）【大中小】

前言: 關注噪音和功耗問題的系統工程師來說很有用，可以提升車載音響系統的體驗．利用 SigmaDSP處理器和 SigmaStudio™ 圖形開發工具來減小車載音響系統的噪音和功耗已經正步入一個行業趨向。

　　【音響網資訊】
如今，隨著多媒體技術逐漸被車載電子設備所采用, 數字信號處理器(DSP)也獲得了越來越廣泛的應用, 用以對音頻信號進行數字化處理。例如，車載多媒體系統取代傳統的汽車收音機和CD系統，在此多媒體系統中采用DSP, 例如ADI的 ADAU1401 SigmaDSP®,可以實現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。此外這些DSP還提供了一個有用的工具, 可實現減小系統噪音和功耗的功能, 這對于關注噪音和功耗問題的系統工程師來說很有用。本文介紹了這種新方法, 利用 SigmaDSP處理器和 SigmaStudio™ 圖形開發工具來減小車載音響系統的噪音和功耗。

　　ADAU1401是一款完整的單芯片音頻系統，包括完全可編程的28/56位音頻DSP、模數轉換器(ADC)、數模轉換器(DAC)及類似微控制器的控制接口。信號處理包括均衡、低音增強、多頻段動態處理、延遲補償、揚聲器補償和立體聲聲場加寬。這種處理技術可與高端演播室設備的效果相媲美，能夠彌補由于揚聲器、功放和聽音環境的實際限制所引起的失真，從而明顯改善音質。

　　借助方便易用的SigmaStudio開發工具，用戶可以使用不同的功能模塊以圖形化的方式配置信號處理流程, 例如雙二階濾波器、動態處理器、電平控制和GPIO接口控制等模塊。

噪底
　　與便攜式設備不同，車載音響系統配有高功率放大器，每個功放能夠提供高達40 W-50 W功率，每輛汽車至少有四個揚聲器。由于功率較大, 噪底很容易被放大，使得人耳在安靜的環境下就能感受到。例如，假設揚聲器靈敏度約為90 dB/W，則4 Ω揚聲器中的1 mV rms噪聲可以產生大約24 dB的聲壓級(SPL)，這一水平噪音人耳在安靜環境下就能夠感受到。可能的噪聲源有很多, 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引起的噪聲VE。VO是來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. 車載音響系統的噪聲源示例

　　電源開關期間的爆音：車載音頻功率放大器一般采用12 V單電源供電，而DSP則需要使用低壓電源（例如3.3 V），濾波器/緩沖器可能采用雙電源供電（例如±9 V）。在以不同的電源電壓工作的各部分電路之間，必須使用耦合電容來提供信號隔離。在電源開/關期間，電容以極快的速度充電/放電，產生的電壓跳變沿著信號鏈傳播，最終導致揚聲器發出爆音。圖2顯示了這一過程。

圖2. 揚聲器產生爆音的原理

　　雖然知道噪底和爆音的來源，而且也努力采用良好的電路設計和布局布線技術，以及選擇噪聲更低的優良器件來降低信號源處的噪聲，但在設計過程中仍然可能出現許多不確定性。汽車多媒體系統的設計人員必須處理許多復雜問題，因此必須具備高水平的模擬/混合信號設計技能。即便如此，原型產品的性能仍有可能與原來的預期不符。例如，1 mV rms的噪聲水平會帶來巨大挑戰。至于爆音，現有解決方案使用MCU來控制電源開關期間功率放大器的操作順序，但當MCU距離功率放大器較遠時，布局布線和電磁干擾(EMI)會構成潛在問題。

功耗
　　隨著車載電子設備越來越多，功耗問題變得日趨嚴重。例如，如果音頻功率放大器的靜態電流達到200 mA，則采用12 V電源時，靜態功耗就高達2.4 W。如果有一種方法能檢測到沒有輸入信號或信號足夠小，進而關閉功率放大器，那么在已開機但不需要揚聲器發出聲音的時候，就可以節省不少功耗。

將車載音響系統的噪聲和功耗降至最低
　　利用SigmaDSP技術，就可以提供這樣一種方法, 可以減小系統噪聲和功耗，同時不增加硬件成本。圖3是一個4揚聲器車載音響系統的框圖，其中ADAU1401 SigmaDSP處理器用作音頻后處理器。除了采樣、轉換、音頻信號數字處理和生成額外的揚聲器通道以外，SigmaDSP處理器還具有通用輸入/輸出(GPIO)引腳可用于外部控制。微控制器(MCU)通過I2C接口與SigmaDSP處理器進行通信，模擬輸出驅動一個采用精密運算放大器 ADA4075-2的低通濾波器/緩沖器級。

圖3. 四揚聲器車載音響系統理

　　SigmaDSP處理器與功率放大器之間的紅色信號線控制功率放大器的靜音/待機引腳。在正常默認工作模式下，開集GPIO1引腳通過10 kΩ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。當沒有輸入信號時，GPIO1變為低電平，功率放大器置于靜音/待機模式，因而揚聲器沒有噪聲輸出，同時功放的待機功耗也很低。當檢測到高于預定閾值（例如–45 dB）的輸入信號時，GPIO1變為高電平，功率放大器正常工作。這時雖然噪底仍然存在，但由于信號的高信噪比(SNR)將其屏蔽，使它不易被人耳感知到。

　　電源開關期間，SigmaDSP處理器（而不是MCU）通過響應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，來自MCU的控制信號通過I2C接口設置SigmaDSP處理器的GPIO1，使之保持低電平（靜音），直到預定的電容充電過程完成，然后MCU將GPIO1設置為高電平，由此消除啟動瞬變所引起的爆音。關閉電源時，GPIO立即變為低電平，使功率放大器處于靜音/待機狀態，從而消除電源切斷時產生的爆音。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圖形開發工具，很容易設置均方根檢測模塊，并用它來控制GPIO狀態，如圖4的范例所示。

圖4. SigmaStudio均方根檢測、GPIO控制和壓限器電路圖

　　均方根檢測功能利用均方根算法單元和邏輯單元實現。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生的震顫。例如RMS1閾值設置為–45 dB，RMS2閾值設置為–69 dB。當輸入信號高于–45 dB時，GPIO1為高電平。當輸入信號低于–69 dB時，GPIO1為低電平。當輸入信號位于這兩個閾值之間時，GPIO1輸出信號保持先前所處的狀態（參見圖5）。

　　圖4還顯示了用以進一步降低輸出噪聲的壓限器功能。例如，當輸入信號低于–75 dB時，揚聲器系統的輸出信號將會衰減到–100 dB，從而也降低了系統噪底。

圖5. RMS閾值設置以及輸入與輸出之間的關系

總結
噪聲和功耗是車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控制功能來顯著降低噪聲和功耗，則能進一步發揮更大作用。SigmaStudio圖形化開發工具支持以圖形方式設置各種功能，而不需要編寫代碼，令設計工作倍加簡單。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。

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