降低汽车音响系统噪声与功耗应用电路设计 - 全文

　　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。