本文來源于電子技術(shù)設(shè)計。
DSP助力高效汽車噪聲主動控制系統(tǒng)
發(fā)布時間:2017-02-02 來源:Rolf Schirmacher,Gerard Andrews 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】利用ANC和ASD等音頻技術(shù),汽車制造商可以最大限度地降低引擎噪音并創(chuàng)造出獨特的發(fā)動機聲效。搭載支持ANC和ASD算法的小型低功耗專屬DSP,主處理器工作負(fù)載可以有效分流,滿足車輛對系統(tǒng)性能、能耗和成本的需求。
節(jié)能技術(shù)雖然推動了環(huán)保汽車的發(fā)展,卻也造成駕駛室噪音問題的加劇。為降低噪音,汽車工程師利用車載音頻系統(tǒng)實現(xiàn)主動降噪控制(ANC)。汽車制造商致力于應(yīng)用主動音效設(shè)計(ASD)技術(shù)產(chǎn)生獨特的引擎聲音,以達到降噪效果。本文旨在探討如何應(yīng)用專屬音頻DSP助力ANC和ASD系統(tǒng)減少延遲、提高性能并降低成本。
簡介
特定駕駛條件下,棄用減振材料并利用更少的氣缸實現(xiàn)更高引擎效率,是打造節(jié)能汽車的重要手段。然而,這項節(jié)能技術(shù)卻無法最大程度減少駕駛室內(nèi)的噪聲。舉個例子,缸徑小的發(fā)動機轉(zhuǎn)速(RPM)也較低,低頻率運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生更大的噪聲。為此,汽車工程師求助于ANC技術(shù)以期實現(xiàn)主動降噪。
圖1:典型的客車主動降噪系統(tǒng)。
ANC技術(shù)基于相干聲學(xué)原理, 旨在精確復(fù)原所有噪聲來源在任意時間的原始聲場,包括實時及反相噪音。ANC系統(tǒng)接入車載音響與麥克風(fēng),通過在無線電或音響系統(tǒng)中使用信號處理產(chǎn)生反相位噪音,抵消發(fā)動機噪聲,實現(xiàn)主動降噪。在音頻子系統(tǒng)中搭載小型DSP非常有效,主處理器也可以更專注于計算密集型任務(wù)。圖1展示了典型的客車主動降噪系統(tǒng)設(shè)計原理。發(fā)動機噪聲頻率范圍通常在30~250Hz之間,揚聲器系統(tǒng)應(yīng)生成相同頻率的反相位噪聲以抵消噪音。ANC技術(shù)還可用于混合動力汽車,減少電池充電時產(chǎn)生的噪音。
圖2:不同主動音響設(shè)計環(huán)境的分貝水平。
如今,眾多主流車型將主動聲學(xué)技術(shù)與車載信息娛樂系統(tǒng)集成起來影響汽車的聲效,也就是我們通常所稱的ASD。以寶馬M5為例,該車型支持?jǐn)?shù)字信號處理,與引擎管理器進行數(shù)據(jù)交換,并根據(jù)轉(zhuǎn)速、扭矩、汽車行駛速度等信息生成不同的引擎運行聲音。如果駕駛員切換至Sport或Sport+模式,引擎靈敏度增強,駕駛室內(nèi)的聲音體驗變得刺耳。圖2展示了一些實際應(yīng)用案例。越來越多的車載信息娛樂系統(tǒng)選用高度集成的系統(tǒng)級芯片(SoC)、高性能標(biāo)準(zhǔn)CPU與軟件基礎(chǔ)設(shè)施以支持ASD技術(shù)。
信息娛樂系統(tǒng)之前世今生
如果現(xiàn)代信息娛樂系統(tǒng)搭載具有多個(通常是無線)接口的通訊集線器,即可實現(xiàn)高度集成,功能也會更加豐富。實現(xiàn)這一目標(biāo)并不簡單,因為封裝尺寸及功耗都有很大的局限性,還必須滿足散熱需求。從設(shè)計角度來看,信息娛樂系統(tǒng)通常需要搭載強大的標(biāo)準(zhǔn)多核處理器,操作系統(tǒng)和中間件也要足夠開放以支持不同平臺。很多系統(tǒng)設(shè)計師選擇使用跨功能SoC來支持車載無線電調(diào)諧器和音頻功能。
利用專屬DSP實現(xiàn)主動降噪
主動降噪技術(shù)對延遲有要求,因此并不適用于主流音頻框架。所以,為信息娛樂系統(tǒng)開發(fā)SoC時,必須考慮主動降噪技術(shù)對音頻信號的獨特需求:
·高帶寬,48kHz采樣頻率;
·高動態(tài)范圍,≥24bit;
·多通路(≥20個音頻輸入通路,20個目標(biāo)輸出通路);
·源匯不同步,時鐘域不同;
·復(fù)雜的信號處理和模塊處理;
·不支持中斷和同步功能。免提語音控制和緩沖等應(yīng)用需要低延遲環(huán)境。
回顧第一代主動音響系統(tǒng),汽車設(shè)計師在車輛上增加了一個額外的控制單元,利用DSP進行功率放大器和揚聲器音頻信號控制,以營造車載麥克風(fēng)與揚聲器系統(tǒng)所需的低延遲環(huán)境。新一代系統(tǒng)中,設(shè)計師將主動降噪技術(shù)集成到基于DSP的強大功放。然而,這一方案十分昂貴,不適用于經(jīng)濟型汽車。
在當(dāng)今的經(jīng)濟型汽車中,功放通常集成于音響主機中的無線電組件。音響主機則在大型嵌入式CPU或多CPU平臺上運行,為導(dǎo)航、信息娛樂和智能手機應(yīng)用提供支持。此方案可以保證所需的計算能力,但無法實現(xiàn)低延遲環(huán)境。這一沖突通常是由OS-Linux操作系統(tǒng)引起的,OS-Linux在任務(wù)切換時僅能實現(xiàn)100ms延遲,遠遠滿足不了ANC的最低要求。
為滿足音頻組件的低延遲和成本需求,分流主處理器負(fù)載并將小型專用DSP集成到So C以實現(xiàn)主動降噪是個不錯的選擇。這樣一來,主處理器可以專注于運行計算密集型任務(wù);DSP則可收集車輛、麥克風(fēng)和揚聲器的數(shù)據(jù),并為這些應(yīng)用執(zhí)行功能軟件。Cadence的Tensilica HiFi DSP支持超過160種音頻、聲音、語音識別以及音頻和語音增強軟件包, 該IP支持所有SoC設(shè)計。DSP提供充足的計算資源以支持其它音頻處理算法,包括聲學(xué)回聲消除、波束形成和聲場擴展。
總結(jié)
利用ANC和ASD等音頻技術(shù),汽車制造商可以最大限度地降低引擎噪音并創(chuàng)造出獨特的發(fā)動機聲效。搭載支持ANC和ASD算法的小型低功耗專屬DSP,主處理器工作負(fù)載可以有效分流,滿足車輛對系統(tǒng)性能、能耗和成本的需求。
本文來源于電子技術(shù)設(shè)計。
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