利用SigmaDSP减小车载音响系统的噪音和功耗

如今，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(DSP)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, 可实现减小系统噪音和功耗的功能, 这对于关注噪音和功耗问题的系统工程师来说大有裨益。下文将介绍这种新方法, 即利用SigmaDSP处理器和SigmaStudio图形开发工具减小车载音响系统的噪音和功耗。
 
ADAU1401是一款完整的单芯片音频系统，包括完全可编程的28/56位音频DSP、模数转换器(ADC)、数模转换器(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端演播室设备的效果相媲美，能够弥补由于扬声器、功放和听音环境的实际限制所引起的失真，从而明显改善音质。
 
借助方便易用的SigmaStudio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。
 
噪底
 
与便携式设备不同，车载音响系统配有高功率放大器，每个功放能够提供高达40W-50W功率，每辆汽车至少有四个扬声器。由于功率较大, 噪底很容易被放大，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24 dB的声压级(SPL)，这一水平噪音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。
 

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图1：车载音响系统的噪声源示例。


电源开关期间的爆音

车载音频功率放大器一般采用12 V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分电路之间，必须使用耦合电容来提供信号隔离。在电源开/关期间，电容以极快的速度充电/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。
 

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图2：扬声器产生爆音的原理。


虽然知道噪底和爆音的来源，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器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。