DSP助力汽车有效控制有源噪声

2016-12-06 网络
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节能技术在为环保汽车做出贡献的同时,也增加了驾驶舱的环境噪声。为降低噪声,许多汽车工程师在称为有源噪声控制 (ANC) 的过程中利用汽车的音频系统。汽车制造商还采用有源音响设计 (ASD)技术制造出逼真的引擎声浪。本文讨论专用音频DSP如何在延迟、性能和成本方面支持ANC和ASD系统。
 
概述
 
消除减振材料,提高缸压减少某些行驶条件下发动机使用的气缸等是生产高能效汽车的几种方法。然而,这种节能技术往往不能形成车厢最安静的驾乘体验。例如,低转速小型发动机,低频运转噪声实际上会变得很大。因此,许多汽车工程师依靠ANC。
 
ANC基于相干声学原理,以所有相关时间、实时、反相的方式准确重放所有相关位置的原始声场。ANC系统接入车载放大器和麦克风,利用收音机或放大器中的信号处理,产生与发动机发出的声音相反的声音,从而消除噪声。小型DSP特别适合用于音频子系统,这样主处理器可以集中于计算密集型功能。
 
图1所示为采用ANC的轿车典型系统设计。发动机噪声频率在30-250Hz范围内,因此扬声器系统可通过产生相同频率的相反声音来抵消噪声。另一个ANC应用实例是混合动力车,这种情况下,ANC系统有助于减少汽车电池充电时产生的噪声。
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                                       图1 典型轿车有源噪声控制
 
现在,主流汽车的车载信息娱乐系统也采用有源声学技术来影响汽车声音,这正是ASD的作用。例如BMW M5,利用数字信号处理功能与发动机管理器交换数据,产生反映发动机转速、扭矩和车速的声音。当驾驶员选择Sport或Sport+运动模式时,图1所示汽车发动机的响应以及内部声音体验更加清晰。图2举例说明。我们现在看到很多信息娱乐系统采用与高性能标准CPU和软件基础设施高度集成的片上系统 (SoCs) 支持ASD技术。
 
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                                   图2 各种有源音响设计分贝级别实例
 
目前信息娱乐系统
现代信息娱乐系统为通信平台提供多个接口 (并且往往是无线接口),是一种高度集成的系统并且不断增加功能。显然,封装面积、功耗以及散热限制方面受到局限。从设计角度来看,信息娱乐系统通常依赖强大的标准多核处理器,以及开放操作系统和中间件。许多系统设计者也选用跨功能SoC。例如,支持车载无线电调谐器和音频功能的SoC。
 
专用DSP支持有源音响技术
由于延迟要求,有源音响技术不适合主流音频框架。因此,开发用于信息娱乐系统的SoC必须考虑有源音响技术音频信号的独特要求:
 
  • 高带宽,48kHz采样频率
  • 高动态范围,≥24 bit
  • 通道数量多(≥20声源通道,20目标通道)
  • 非同步源和汇合点,以及不同时钟域
  • 复杂的信号处理和块处理
  • 无中断和同步能力。在免提语音控制和缓冲等应用领域,低延迟是必须的。
 
回顾第一代有源音响系统,汽车设计师在车上增加了一个额外的控制单元,利用DSP控制功率放大器与扬声器之间的音频信号。这种方法满足汽车麦克风与扬声器系统之间的低延迟要求。在第二代汽车中,我们看到设计师将有源噪声技术集成到功能强大的基于DSP的放大器上。这种方法被证明十分昂贵,因此不适用经济型车。
现代经济型轿车中,功率放大器通常与音响主机中的无线电组件集成。音响主机可在支持导航、信息娱乐和智能手机应用的大型嵌入式CPU或多个CPU上运行。这种配置提供所需的计算能力,但不能满足音频的低延迟要求。这个问题源于操作系统—通常采用Linux,虽然它能保证在100ms延迟时间内完成任务切换,但是这种延迟水平不足以支持ANC功能。
为满足音频组件低延迟和成本要求,可考虑将小型专用DSP集成到支持有源音响技术的SoC中,减轻主处理器的工作量。主处理器运行大量计算密集型任务,DSP与车辆、麦克风和扬声器数据交互,运行这些应用的功能软件。
 
例如,Cadence的Tensilica HiFi DSP支持160多种音频、话音、语音识别以及音频和语音增强软件包,IP可内置在任何SoC设计中。DSP还提供足够的计算资源支持其他音频处理算法,例如回声抵消、波束形成和声级扩展。
 
结语
采用ANC和ASD等音频技术,汽车制造商可以最大限度地降低发动机噪音,并制造出逼真的发动机声浪。利用支持ANC和ASD算法的小型低功耗专用DSP减轻主处理器工作量,为满足车载系统性能、能耗和成本的要求提供了有效方法。
 
 
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