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DSP助力高效汽車(chē)噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)

發(fā)布時(shí)間:2017-02-02 來(lái)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(chē)制造商可以最大限度地降低引擎噪音并創(chuàng)造出獨(dú)特的發(fā)動(dòng)機(jī)聲效。搭載支持ANC和ASD算法的小型低功耗專(zhuān)屬DSP,主處理器工作負(fù)載可以有效分流,滿(mǎn)足車(chē)輛對(duì)系統(tǒng)性能、能耗和成本的需求。
 
節(jié)能技術(shù)雖然推動(dòng)了環(huán)保汽車(chē)的發(fā)展,卻也造成駕駛室噪音問(wèn)題的加劇。為降低噪音,汽車(chē)工程師利用車(chē)載音頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪控制(ANC)。汽車(chē)制造商致力于應(yīng)用主動(dòng)音效設(shè)計(jì)(ASD)技術(shù)產(chǎn)生獨(dú)特的引擎聲音,以達(dá)到降噪效果。本文旨在探討如何應(yīng)用專(zhuān)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(jiǎn)介
 
特定駕駛條件下,棄用減振材料并利用更少的氣缸實(shí)現(xiàn)更高引擎效率,是打造節(jié)能汽車(chē)的重要手段。然而,這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)卻無(wú)法最大程度減少駕駛室內(nèi)的噪聲。舉個(gè)例子,缸徑小的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(RPM)也較低,低頻率運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生更大的噪聲。為此,汽車(chē)工程師求助于ANC技術(shù)以期實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪。
 
DSP助力高效汽車(chē)噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)
圖1:典型的客車(chē)主動(dòng)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(lái)源在任意時(shí)間的原始聲場(chǎng),包括實(shí)時(shí)及反相噪音。ANC系統(tǒng)接入車(chē)載音響與麥克風(fēng),通過(guò)在無(wú)線電或音響系統(tǒng)中使用信號(hào)處理產(chǎn)生反相位噪音,抵消發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲,實(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(zhuān)注于計(jì)算密集型任務(wù)。圖1展示了典型的客車(chē)主動(dòng)降噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲頻率范圍通常在30~250Hz之間,揚(yáng)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(dòng)力汽車(chē),減少電池充電時(shí)產(chǎn)生的噪音。
 
DSP助力高效汽車(chē)噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)
圖2:不同主動(dòng)音響設(shè)計(jì)環(huán)境的分貝水平。
 
如今,眾多主流車(chē)型將主動(dòng)聲學(xué)技術(shù)與車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)集成起來(lái)影響汽車(chē)的聲效,也就是我們通常所稱(chēng)的ASD。以寶馬M5為例,該車(chē)型支持?jǐn)?shù)字信號(hào)處理,與引擎管理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,并根據(jù)轉(zhuǎn)速、扭矩、汽車(chē)行駛速度等信息生成不同的引擎運(yùn)行聲音。如果駕駛員切換至Sport或Sport+模式,引擎靈敏度增強(qiáng),駕駛室內(nèi)的聲音體驗(yàn)變得刺耳。圖2展示了一些實(shí)際應(yīng)用案例。越來(lái)越多的車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)選用高度集成的系統(tǒng)級(jí)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(lè)系統(tǒng)之前世今生
 
如果現(xiàn)代信息娛樂(lè)系統(tǒng)搭載具有多個(gè)(通常是無(wú)線)接口的通訊集線器,即可實(shí)現(xiàn)高度集成,功能也會(huì)更加豐富。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并不簡(jiǎn)單,因?yàn)榉庋b尺寸及功耗都有很大的局限性,還必須滿(mǎn)足散熱需求。從設(shè)計(jì)角度來(lái)看,信息娛樂(lè)系統(tǒng)通常需要搭載強(qiáng)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(kāi)放以支持不同平臺(tái)。很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師選擇使用跨功能SoC來(lái)支持車(chē)載無(wú)線電調(diào)諧器和音頻功能。
 
利用專(zhuān)屬DSP實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪
 
主動(dòng)降噪技術(shù)對(duì)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(lè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)SoC時(shí),必須考慮主動(dòng)降噪技術(shù)對(duì)音頻信號(hào)的獨(dú)特需求:
 
·高帶寬,48kHz采樣頻率;
 
·高動(dòng)態(tài)范圍,≥24bit;
 
·多通路(≥20個(gè)音頻輸入通路,20個(gè)目標(biāo)輸出通路);
 
·源匯不同步,時(shí)鐘域不同;
 
·復(fù)雜的信號(hào)處理和模塊處理;
 
·不支持中斷和同步功能。免提語(yǔ)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(dòng)音響系統(tǒng),汽車(chē)設(shè)計(jì)師在車(chē)輛上增加了一個(gè)額外的控制單元,利用DSP進(jìn)行功率放大器和揚(yáng)聲器音頻信號(hào)控制,以營(yíng)造車(chē)載麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器系統(tǒng)所需的低延遲環(huán)境。新一代系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)師將主動(dòng)降噪技術(shù)集成到基于DSP的強(qiáng)大功放。然而,這一方案十分昂貴,不適用于經(jīng)濟(jì)型汽車(chē)。
 
在當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)型汽車(chē)中,功放通常集成于音響主機(jī)中的無(wú)線電組件。音響主機(jī)則在大型嵌入式CPU或多CPU平臺(tái)上運(yùn)行,為導(dǎo)航、信息娛樂(lè)和智能手機(jī)應(yīng)用提供支持。此方案可以保證所需的計(jì)算能力,但無(wú)法實(shí)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(shí)僅能實(shí)現(xiàn)100ms延遲,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了ANC的最低要求。
 
為滿(mǎn)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(zhuān)用DSP集成到So C以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪是個(gè)不錯(cuò)的選擇。這樣一來(lái),主處理器可以專(zhuān)注于運(yùn)行計(jì)算密集型任務(wù);DSP則可收集車(chē)輛、麥克風(fēng)和揚(yáng)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(guò)160種音頻、聲音、語(yǔ)音識(shí)別以及音頻和語(yǔ)音增強(qiáng)軟件包, 該IP支持所有SoC設(shè)計(jì)。DSP提供充足的計(jì)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(chǎng)擴(kuò)展。
 
總結(jié)
 
利用ANC和ASD等音頻技術(shù),汽車(chē)制造商可以最大限度地降低引擎噪音并創(chuàng)造出獨(dú)特的發(fā)動(dòng)機(jī)聲效。搭載支持ANC和ASD算法的小型低功耗專(zhuān)屬DSP,主處理器工作負(fù)載可以有效分流,滿(mǎn)足車(chē)輛對(duì)系統(tǒng)性能、能耗和成本的需求。

本文來(lái)源于電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
 
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