车载信息娱乐系统的无线音频传送技术

2011-06-05 21:13:58来源: 《电子工程专辑》

  新式的车载信息娱乐系统包含日益多元化的内容来源,包括专为乘客设计的前座和后座显示器、来自便携式设备的内容,以及便携式计算设备的互联网接入等。乘客有时会想要共享相同的内容,但却并非每次都如此,因此音频传送系统必须能够传送多路内容,并将每路内容传送给特定的乘客。也就是说,每个乘客都能控制内容的选择,也能控制此内容所提供的所有互动选项。为符合这样的环境需求,音频传送系统必须具备某些特定的特性。

耳机

  新式的车载信息娱乐系统具有多种内置的音频来源,例如CD播放器和可提供内容至多台显示器的DVD播放器,以及各种类型的广播无线电接收器。携带便携式音频/媒体播放器和智能手机的每位乘客会有自己的内容来源,并通过辅助输入连接到信息娱乐系统中。此外,车内提供的上网功能也会提供另一种个人内容来源,且往往是与音乐有关。

  尽管车载信息娱乐系统中有丰富的内容来源,但汽车的内置喇叭却使得每位乘客都必须同时聆听相同的音频信息。显然地,若每位乘客想要听自己喜欢的音乐,就得使用耳机才行(图1)。

图1:配备耳机的后座显示器。

  车载娱乐系统的耳机可以采用无线或有线设计。当然,在汽车的有限空间中,使用有线耳机的缺点显而易见,因此汽车OEM厂商转而寻求无线解决方案。

无线技术:红外线与数字射频

  红外线(IR)和射频(RF)是无线耳机主要选用的两种技术,它们都各自有其优缺点。

  音频质量: 通常,大多数IR解决方案是传输模拟音频,且音频是通过动态范围约70dB的调频IR载波来传送。因此,它的质量与FM广播相近,明显低于具96dB动态范围的CD和DVD音频质量。

  此外,除了阳光之外,汽车内还会有其它的IR干扰源。在模拟音频的传输过程中,不会有任何修正错误的机会,因此任何微小的IR信道问题都会在音频码流中造成听得见的噪声,常被称为“静态噪声”。

  模拟RF解决方案也存在同样的音频质量较低,以及易受干扰的问题。而且,在支持Wi-Fi和蓝牙连接技术的汽车中,由于Wi-Fi及蓝牙连接与RF无线音频共享相同的频段,故RF干扰问题会更严重。

  不管是IR还是RF,任一种无线传输都会有干扰存在。因此,数字无线音频传输技术是更佳的解决方案,因为它具备侦测传输错误、并在信号送达听者前对之进行修正的能力,而且还能够采取行动避免未来再发生错误。

  视距: IR需要一条从来源至耳机的不受干扰的视距通道,但是要从仪表板到后座乘客间建立这样的通道是有困难的,尤其是对于较大型的三排座椅车辆而言。因此,制造商试图在多个位置安装IR发射器,以确保其中至少有一个能够与耳机建立视距通道。当然,这种解决方案会增加成本和功耗。而且,只要带耳机的乘客转头,此通道就会中断。

  相比之下,RF解决方案并不需要视距通道,而且在有限的汽车空间中,只需要一个发射器就能传送到所有的耳机位置。

  多音频信道: 一般来说,IR仅提供单一广播信道。多个试图传送不同内容的发射器会互相干扰。因此,模拟IR技术仅能处理单个音频码流,这对具有多个显示屏和其它音源的新型汽车来说,显然具有其局限性。有些IR解决方案会通过在单个数字IR链路上采用时分多路复用数个音频信道的方式来解决这个问题。这种方案的缺点是,所有音频内容都必须先送到某个地方被多路复用之后,才能进行IR传输。

  RF解决方案具有将各个音频信道分配给不同音频码流的能力。无线音源会在车内尽可能地被传送(请见图2)至靠近音频来源,而耳机能通过接收无线电信道的方式选择想听的音频内容。

图2:多重来源与多个耳机。

  广播: 除了能让每位乘客利用耳机欣赏各自想听的音乐外,也能让多位乘客共享内容,例如在他们观看相同屏幕的时候。

  红外线技术本质上一是个广播媒介,因此所有与发射器间具有视距通道的耳机都能共享相同的音频码流。

  数字RF技术在这方面有所不同。举例来说,采用蓝牙的串流音频解决方案仅支持点对点连接。因此,每个耳机都需要一个发射器,这会造成成本和功耗的增加。共享内容是指将所需的音频串流连接到所有想要分享此内容的耳机发射器。相较之下,SMSCKleer技术能够允许多达4个耳机与相同的音频来源连接,同时还能允许耳机在不同来源中做选择。

  反向信道(Back-channel)通信: 耳机提供了一个让用户控制音频信道切换、暂停播放等功能的理想位置。然而,这需要从耳机到音频来源建立一个回传通道,在此将其称为反向信道。

  很可惜,IR连接包含了不同的发射器和接收器,因此耳机往往仅能接收,而无法在耳机上实现播放控制功能。

  大多数数字RF设备都同时拥有发射和接收功能,这是最低条件,这样才能让耳机回传确认信号给音源,告知音频数据包已正确收到,不需要再重发一次。这个从耳机到音源间建立的反向信道还能做为其它用途,包括播放控制、电池状态、和辨认耳机品牌以确认是否支持。

  许多信息娱乐系统还包含有手持遥控装置(见图3),可从车内的任何角落控制各种系统功能。与无线耳机相同,这些装置通常采用IR技术,但也都遭遇了同样的问题。支持反向信道的数字RF解决方案,能利用此反向信道做为遥控之用。因此,一个内置在汽车音响主机(head-unit)中用来将音频码流传至一个或多个无线耳机的RF组件,亦能用来接收从一个或多个遥控装置传来的控制命令,如此一来,便无需在音响主机中额外增加专门用来接收遥控装置命令的接收器。

图3:信息娱乐系统的遥控装置。

  反向信道的另一个有趣应用是语音通信。这能让耳机(headphone)成为一个带麦克风的耳麦(headset),可通过车内的免提式语音系统进行个人语音通话,不用再切换到另一个耳麦。

RF技术的选择

  有鉴于有线和IR耳机的多个缺点,汽车OEM厂商遂转而考虑采用数字RF技术作为解决方案。目前市面上有多种RF方案可供汽车耳机选用,包括Wi-Fi、蓝牙,以及多款专属无线技术,SMSC的Kleer便是其中之一。汽车OEM厂商应该为此应用选择哪一种RF技术呢?

  音频质量是首要考虑事项。特别是,RF技术不应该成为耳机音频质量的限制因素。如果汽车拥有CD/DVD播放器的高质量音频来源,就应该将同样的质量传送到耳机。这是蓝牙在此应用中的主要缺点之一。蓝牙的有限带宽使其需要采用有损压缩(lossy compression)来传送音频,因此仅能获得与FM广播或IR差不多的音频质量。

  其次是考虑功耗。由于车载耳机主要是放置于车内,经常更换电池或充电是非常不方便的。因此,RF方案的功耗必须能尽可能地小,以延长电池寿命。这项要求就基本上剔除了采用Wi-Fi技术的可能性。因为Wi-Fi设备支持较高带宽和较长传输距离,这意味着它会较其它技术消耗更多的功率。即使是蓝牙的功耗都比SMSC的Kleer方案高,因为Kleer是专为电池供电无线音频应用所设计的。

  能与其它无线电技术共存也是一重要考虑事项,因为汽车系统也开始内置Wi-Fi接入点,以支持无线笔记本电脑和蓝牙免提语音装置。选用的RF技术必须能够在此环境中不产生音频丢帧(audio drop),也不会干扰Wi-Fi的吞吐量和蓝牙的语音质量。评测一项无线电技术是否能够与其它无线电共存的方法之一是,检查其占用的无线电频谱。所有2.4GHz无线电技术都必须在2.40GHz和2.48GHz之间找到约80MHz的可用频谱。Wi-Fi占用的频谱为这个值的一半,而蓝牙为四分之一。相较之下,窄带无线电仅消耗不到3MHz的频段,因此会有较高的机率找到可用频谱。

  此RF技术必须能支持多重音频码流的同步传输,因为耳机设计的主要用途就是要让每位乘客都能听到自己喜欢的内容。由于这些音频串流不一定是来自相同的位置(例如,除了汽车音响主机中的一或多个发射器,每部后座显示器都可能会有自己的RF发射器),因此RF技术必需能够支持多个位置各异的发射器。有多种方案可以满足这一需求,比如Wi-Fi的载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD),这是一种较复杂的机制,其将频谱简单分割为多个窄频信道,并动态选取可用信道。

  此RF技术必须具备支持将多个耳机连接至相同来源的能力。当然,规避这项要求的一种方法是采用多个RF发射器(每个耳机一个),但此做法不但成本昂贵,而且功率效率低下。较好的方式是让每个耳机都能接收到乘客想听的音频来源,而不管是否还有其它人也在听同一个音频。

  此RF技术必须能够以不超过70毫秒的延迟(latency)时间传送音频,最好是能在45毫秒以内。如果延迟过长,乘客在观赏影片时便会感受到视频和音频之间不同步。按照不同的耳机类型,有时可能会要求延迟时间低于25微秒。若耳机的延迟时间较长,会使大量的环境声音被传送到耳机配戴者的耳朵里,如果听者正在聆听的音频信道与汽车喇叭正在播放的相同,就会形成低沉的空响声(hollow sound)。

  此RF技术必须支持双向通信,让耳机的信息能传回至音频来源。此信息可能是与耳机有关的信息,比如其剩余的电池寿命,或者可能包含音频播放命令,如播放/暂停和音轨前进等。

  此RF技术必须支持安全传输,以确保车内乘客无法听到其它车辆的音频来源。该项要求剔除了FM无线电这类的“广播式”RF技术。此外,如果两家不同的汽车OEM厂商选用相同的RF技术,他们可能得需要建立一种安全机制,确保这家OEM厂商的汽车只能使用从这家OEM厂商购买的耳机。

本文小结

  在为车载信息娱乐系统选用无线音频传送方案时,不同的无线技术都各有其优缺点。一般来说,数字传输较模拟技术更受青睐,而RF传输比IR为佳。不过,各种数字RF技术间仍有差异,因此,必须仔细全面地评估不同技术在音频质量、功耗、多点至多点连接、播放控制、音频延迟、语音通话支持,以及与Wi-Fi和蓝牙共存等方面的特性。

关于作者:

  Brent Allen是SMSC公司Kleer产品线的全球产品营销总监。SMSC在2010年二月通过并购取得Kleer技术,这是业界领先的低功耗无线音频技术,适用于便携式、家庭和汽车产品中的无线耳机、耳塞式耳机(earbud)和喇叭。

图4:SMSC公司Kleer产品线的全球产品营销总监Brent Allen。

 

 

关键字:无线音频传送  Kleer  SMSC

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0605/article_3825.html
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