降低汽车音响系统噪声与功耗应用电路设计

2016-06-07 21:01:38来源: 互联网
    随着多媒体技术逐渐被车载电子设备所采用,数字信号处理器也获得了越来越广泛的应用,用以对音频信号进行数字化处理。例如,车载多媒体系统取代传统的汽车收音机和CD系统,在车载多媒体系统中采用DSP,诸如ADI的ADAU1401 SigmaDSP,可以实现更出色的音效和高度灵活性,为乘客提供丰富多彩的多媒体体验。此外这些DSP还提供了一个有用的工具,可实现减少系统噪声和功耗的功能,这对于关注噪声和功耗问题的系统工程师来说大有裨益。

  ADAU1401是一款完整的单芯片音频系统,包括完全可程序的28/56位音频DSP、模拟数字转换器(ADC)、数字模拟转换器(DAC)及类似微控制器的控制接口。信号处理包括均衡、低音增强、多频段动态处理、延迟补偿、扬声器补偿和立体声声场加宽。这种处理技术可与高阶演播室设备的效果相媲美,能够弥补由于扬声器、功率放大器和听音环境的实际限制所引起的失真,因而明显改善音质。

  借助方便易用的Sigma Studio开发工具,用户可以使用不同的功能模块以图形化的方式配置信号处理流程,例如双二阶滤波器、动态处理器、电平控制和GPIO接口控制等模块。与可携式设备不同,车载音响系统配有高功率放大器,每个功率放大器能够提供高达40W-50W功率,每辆汽车至少有四个扬声器。由于功率较大,噪声层很容易被放大,使得人耳在安静的环境下就能感受到。例如,假设扬声器灵敏度约为90dB/W,则4Ω扬声器中的1mV rms噪声可以产生大约24dB的声压级(SPL),这一水平噪声人耳在安静环境下就能够感受到。可能的噪声源非常多,如图1所示,主要噪声源包括电源噪声(VG)、滤波器/缓冲器噪声(VF)以及电源接地布局不当引起的噪声VE。而其中的VO是来自处理器的音频信号,VIN是扬声器功率放大器的音频输入信号。

  

  图1:车载音响系统的噪声源示例。

  电源开关期间的爆音

  车载音响功率放大器一般采用12V单电源供电,而DSP则需要使用低压电源(例如3.3V),滤波器/缓冲器可能采用双电源供电(例如±9V)。在以不同的电源电压工作的各部份电路之间,必须使用耦合电容器来提供信号隔离。在电源开/关期间,电容器以极快的速度充电/放电,产生的电压跳变沿着信号链传播,最终导致扬声器发出爆音。图2显示了这一过程。

  

  图2:扬声器产生爆音的原理。

  虽然知道噪声层和爆音的来源,而且也努力采用良好的电路设计和布局布线技术,以及选择噪声更低的优良组件来降低信号源处的噪声,但在设计过程中仍然可能出现许多不确定性。汽车多媒体系统的设计人员需要处理许多复杂问题,因此必须具备高水平的模拟/混合信号设计技能。即便如此,原型产品的性能仍有可能与预期不符。例如,1mV rms的噪声水平会带来巨大挑战。至于爆音,现有解决方案使用MCU在电源开关期间控制功率放大器的时序,但当该处理单元距离功率放大器较远时,布局布线和电磁干扰(EMI)会构成潜在问题。

  功耗

  随着车载电子设备越来越多,功耗问题变得日趋严重。例如,如果音频功率放大器的静态电流达到200mA,则采用12V电源时静态功耗就高达2.4W。如果有一种方法能检测到没有输入信号或信号足够小,进而关闭功率放大器,那么在已开机但不需要扬声器发出声音的时候,就可以节省不少功耗。

  将噪声和功耗降至最低

  利用SigmaDSP技术,就可以提供这样一种方法,可以减少系统噪声和功耗,同时不增加硬件成本。图3是一个4扬声器车载音响系统架构,其中ADAU1401 SigmaDSP处理器作为音讯后处理器。除了采样、转换、音频信号数字处理和产生额外的扬声器通道以外,SigmaDSP处理器还具有GPIO接脚适用于外部控制。MCU透过I2C接口与SigmaDSP处理器进行通讯,模拟输出驱动一个采用精密运算放大器ADA4075-2的低通滤波器/缓冲器级。

  

  图3:四扬声器车载音响系统。

  SigmaDSP处理器与功率放大器之间的红色信号线控制功率放大器的静音/待机接脚。在正常默认工作模式下,开集GPIO1接脚透过10kΩ上拉电阻设置为高电平(图中未标注)。ADAU1401具有均方根信号检测功能,可确定是否存在输入信号。当没有输入信号时,GPIO1变为低电平,功率放大器置于静音/待机模式,因而扬声器没有噪声输出,同时功率放大器的待机功耗也很低。当检测到高于预定阈值(例如-45dB)的输入信号时,GPIO1变为高电平,功率放大器正常工作。这时虽然噪声层仍然存在,但由于信号的高讯息噪声比(SNR)将其屏蔽,使它不易被人耳感知到。

  电源开关期间,SigmaDSP处理器(而不是MCU)透过响应MCU的命令直接控制功率放大器的静音/待机。例如,在电源接通期间,来自MCU的控制信号透过I2C接口设置SigmaDSP处理器的GPIO1,使之保持低电平(静音),直到预定的电容器充电过程完成,然后MCU将GPIO1设置为高电平,由此消除启动瞬变所引起的爆音。关闭电源时,GPIO立即变为低电平,使功率放大器处于静音/待机状态,因而消除电源切断时产生的爆音。将功率放大器置于SigmaDSP处理器而不是MCU的直接控制之下的原因是SigmaDSP处理器通常距离功率放大器更近,因此布局布线和EMI控制也更容易实现。

  如上所述,利用SigmaStudio软件算法可以测量输入信号的均方根电平。使用SigmaStudio图形开发工具,很容易设置均方根检测模块,并用它来控制GPIO状态,如图4的范例所示。

  均方根检测功能利用均方根算法单元和逻辑单元实现。信号阈值必须具有迟滞功能,用以消除静音功能响应小变化而产生的震颤。例如RMS1阈值设置为-45dB,RMS2阈值设置为-69dB。当输入信号高于-45dB时,GPIO1为高电平。当输入信号低于-69dB时,GPIO1为低电平。当输入信号位于这两个阈值之间时,GPIO1输出信号保持先前所处的状态(参见图5)。

  

  图5:RMS阈值设置以及输入与输出之间的关系。

  噪声和功耗是车载音响系统设计面临的巨大挑战。ADI公司的SigmaDSP处理器已广泛应用于车载音响系统的数字音频后处理,若利用其均方根检测和GPIO控制功能来显著降低噪声和功耗,则能进一步发挥更大作用。SigmaStudio图形化开发工具支持以图形方式设置各种功能,而不需要编写程序代码,令设计工作倍加简单。此外,由于功率放大器模块通常离SigmaDSP处理器比离MCU更近,因此用SigmaDSP处理器来控制静音功能,可以简化布局布线工作并提高EMI抗扰度。

关键字:SigmaDSP  低功耗  汽车电子

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/article_2016060715638.html
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