如今，越來越多的數字信號處理器（DSP）被部署在汽車電氣系統中，以數字方式處理音頻信號，并在車輛中提供多媒體的優勢。例如，汽車收音機和CD系統可以被汽車多媒體系統取代，其中DSP（如ADAU1401 SigmaDSP處理器）用于實現出色的音頻性能和靈活性，同時為乘客提供更強大的多媒體體驗。這些DSP還為系統工程師提供了一個有用的工具，他們關心的是最大限度地降低功耗并減少系統噪聲對聆聽體驗的影響。本文介紹了一種利用SigmaDSP處理器和SigmaStudio將噪聲和功耗降至最低的新方法?? 圖形開發工具。

ADAU1401完整的單芯片音頻系統包括一個完全可編程的28/56位音頻DSP、模數轉換器和數模轉換器以及類似微控制器的控制接口。信號處理提供均衡、低音增強、多頻段動態、延遲補償、揚聲器補償和立體聲圖像加寬。這種處理方式可與高端錄音室設備相媲美，可以彌補揚聲器、放大器和聆聽環境的實際限制，從而顯著改善感知音頻質量。

易于使用的 SigmaStudio 軟件允許用戶使用雙二階濾波器、動態處理器、電平控制和 GPIO 接口控制等模塊以圖形方式配置自定義信號處理流程。

本底噪聲

與便攜式設備不同，汽車音頻系統配備了高功率放大器;每個揚聲器能夠提供高達 40 W 或 50 W 的功率;每輛車至少有四個揚聲器。在安靜的環境中，本底噪聲可以很容易地放大到人耳可以感知的水平。例如，4 Ω揚聲器中1 mV rms的噪聲可以產生約24 dB的聲壓級（SPL）（假設揚聲器靈敏度約為90 dB/W），即人耳在安靜環境中可感知的水平。有許多可能的噪音源。如圖1所示，主要噪聲源包括電源噪聲（VG）、濾波器/緩沖器噪聲、 （VF），以及電源接地布局不當產生的噪聲，VE.VO是來自處理器的音頻信號，并且V在 是輸入到揚聲器功率放大器的音頻信號。

圖1.汽車音響系統中的噪聲源示例。

電源開/關期間的爆裂聲：汽車音頻功率放大器采用 12V 單電源供電，而 DSP 需要較低電壓電源（例如 3.3 V），濾波器/緩沖器采用分離電源（例如 ±9 V）工作。需要耦合電容器來提供在這些不同電源電壓下工作的電路部分及其不同接地之間的隔離。在電源開/關期間，電容器將非常快速地充電/放電，產生沿鏈向下傳播的脈沖，最終導致揚聲器中的爆音。圖 2 說明了此過程。

圖2.如何在揚聲器中產生流行噪聲的概念。

盡管本底噪聲和爆音噪聲的來源是已知的，盡管通過良好的電路設計和布局技術以及選擇噪聲更低、噪聲更低的更好器件，努力將源頭的噪聲降至最低，但在設計過程中可能會出現許多不確定性。汽車多媒體系統的設計人員必須處理許多復雜的問題，因此他們必須具備高水平的模擬/混合信號設計技能。即便如此，原型可能無法按最初預期執行;例如，1 mV rms的噪聲水平是一個很大的挑戰。至于爆音噪聲，現有解決方案使用MCU來控制功率放大器在電源開/關期間的時序，但是當中央處理器遠離功率放大器時，布局和電磁干擾（EMI）是潛在的問題。

功耗

隨著車輛中包含越來越多的電子設備，功耗成為更大的挑戰。例如，如果音頻功率放大器消耗高達200 mA的靜態電流，則采用12 V電源時的功耗高達2.4 W。在揚聲器不需要聲音的時候，如果有一種方法可以檢測輸入信號的缺失并關閉功率放大器而不涉及遠程處理器，則可以節省大量功率。

將汽車音響系統的噪音和功耗降至最低

SigmaDSP技術提供了最小化噪聲的機會，同時還節省了大量功耗，而不會增加硬件成本。圖3是使用ADAU1401 SigmaDSP處理器作為音頻后處理器的4揚聲器汽車音頻系統的框圖。除了采樣、轉換、數字處理音頻信號和生成額外的揚聲器通道外，SigmaDSP 處理器還具有一個通用輸入/輸出 （GPIO） 引腳，可用于外部控制。微控制器 （MCU） 通過 I 與 SigmaDSP 處理器通信2C接口和模擬輸出驅動采用ADA4075-2精密運算放大器的低通濾波器/緩沖級。

圖3.帶四個揚聲器的汽車音響系統。

SigmaDSP處理器和功率放大器之間的紅線控制功率放大器的靜音/待機引腳。在正常默認操作中，集電極開路 GPIO1 引腳通過一個 10kΩ 上拉電阻設置為高電平。ADAU1401具有均方根信號檢測功能，可用于確定是否存在輸入信號。在沒有輸入信號的情況下，GPIO1 變為低電平，使功率放大器處于靜音/待機模式，導致揚聲器沒有放大器輸出噪聲，并且待機功耗低。當檢測到大于預定閾值（例如–45 dB）的輸入信號時，GPIO1變為高電平，使功率放大器正常工作;本底噪聲仍然存在，但高信噪比（SNR）掩蓋了它，使人耳無法察覺。

在電源開/關期間，SigmaDSP 處理器（而不是 MCU）直接控制功率放大器的靜音/待機，但它響應 MCU。例如，在開機期間，I2來自MCU的C信號設置SigmaDSP處理器的GPIO1，使其保持低電平（靜音），直到預定的電容器充電過程完成;然后MCU將GPIO1設置為高電平，從而消除由于啟動瞬變引起的爆音。斷電時，GPIO 立即設置為低電平，使功率放大器處于靜音/待機狀態，從而消除了斷電爆裂噪聲。通過將功率放大器置于 SigmaDSP 處理器而不是 MCU 的直接控制之下，布局和 EMI 控制更容易實現，因為 SigmaDSP 處理器的位置更靠近功率放大器。

如前所述，均方根信號電平可以使用SigmaStudio軟件算法確定。使用 SigmaStudio 圖形開發工具，可以輕松設置 rms 計算并使用它來控制 GPIO 狀態，如圖 4 的示例所示。

圖4.用于均方根檢測、GPIO 控制和壓縮的 SigmaStudio 原理圖。

RMS 檢測通過使用均方根單元和邏輯單元來實現。信號閾值包括遲滯，以消除靜音功能響應微小變化的顫振;例如，RMS1 閾值設置為 –45 dB，RMS2 設置為 –69 dB。當輸入信號大于 –45 dB 時，GPIO1 為高電平;當輸入信號小于 –69 dB 時，GPIO1 為低電平;當輸入信號介于兩個閾值之間時，GPIO1輸出信號保持其先前采集的狀態（見圖5）。

圖4還包括壓縮功能，以進一步降低輸出噪聲;例如，當輸入信號小于–75 dB時，揚聲器系統的輸出信號將衰減至–100 dB，從而相應地降低本底噪聲。

圖5.RMS 閾值設置以及輸入和輸出之間的關系。

總結

噪聲和功耗對汽車音響系統提出了巨大的挑戰。ADI SigmaDSP處理器已廣泛用于汽車應用的數字音頻后處理，通過采用均方根檢測和GPIO控制功能，可輕松利用其均方根檢測和GPIO控制功能來最大限度地降低噪聲并顯著降低功耗。SigmaStudio圖形開發工具允許以圖形方式設置功能，而無需編寫代碼，從而簡化了設計工作。此外，由于功率放大器模塊在物理上比MCU更接近SigmaDSP處理器，因此使用SigmaDSP處理器控制靜音功能使布局工作更容易，并提高了EMI抗擾度。

審核編輯：郭婷