為降低噪音,汽車工程師利用車載音訊系統實現主動降噪控制(active noise control,ANC)。汽車製造商致力於應用主動音效設計(active sound design,ASD)技術,產生獨特的引擎聲以達到降噪效果。本文旨在探討如何應用專屬音訊訊號處理器(DSP)助力ANC和ASD系統減少延遲、提高性能並降低成本。

簡介

特定駕駛條件下,棄用減振材料並利用更少的氣缸實現更高引擎效率,都是打造節能汽車的重要手段。然而,這項節能技術卻無法最大程度減少駕駛室內的噪音。舉個例子,缸徑小的引擎轉速(RPM)也較低,低頻率運轉會產生更大的噪音,為此,汽車工程師求助於ANC技術以期實現主動降噪。

ANC技術基於同調聲學(coherentacoustics)原理,旨在精確復原在所有相關時間和相關位置的原始聲場,包括即時及反相噪音。ANC系統接入車載音響與麥克風,透過在無線電或音響系統中使用訊號處理,以產生與引擎相反的聲音,抵消噪音。在音訊子系統中搭載小型DSP非常有效,主處理器也可以更專注於計算密集型任務。

圖1展示典型客車主動降噪系統設計原理。引擎雜訊頻率範圍通常在30~250Hz之間,揚聲器系統應生成相同頻率的反相位雜訊以抵消噪音。ANC技術還可以用於混合動力汽車,減少電池充電時產生的噪音。

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圖1 典型的客車主動降噪系統。



如今,眾多主流車型整合主動聲學技術與車載資訊娛樂系統來影響汽車的音效,這也是ASD技術所關注的。以BMW M5為例,該車型支援數位訊號處理,與引擎管理器進行資料交換,並根據轉速、扭矩、汽車行駛速度等資訊生成不同的引擎運作聲音。如果駕駛切換至Sport或Sport+模式,引擎靈敏度增強,駕駛室內的聲音就會變得尖銳。

圖2展示一些實際應用案例。越來越多的車載資訊娛樂系統選用高度整合的SoC、高效能標準CPU與軟體基礎設施以支援ASD技術。

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圖2 不同主動音響設計環境的分貝水準。



當前的資訊娛樂系統

如果現代資訊娛樂系統搭載具有多個(通常是無線)介面的通訊集線器(hub),即可實現高度整合,功能也會更加豐富。顯而易見,實現這一目標並不簡單,因為封裝尺寸及功耗都有很大的侷限性,還必須滿足散熱需求。從設計角度來看,資訊娛樂系統通常需要搭載強大的標準多核處理器,作業系統和中介軟體也都要足夠開放以支持不同平台。很多系統設計師選擇使用跨功能SoC,這樣的SoC可以支援車載無線電調諧器(radio tuner)和音訊功能。

利用專屬DSP實現主動降噪

主動降噪技術對延遲有要求,因此並不適用於主流音訊框架。所以,為資訊娛樂系統開發SoC時,必須考慮主動降噪技術對音訊訊號的獨特需求:

˙高頻寬,48kHz採樣頻率; ˙高動態範圍,≥24bit; ˙多通路(≥20個音訊輸入通路,20個目標輸出通路); ˙源匯不同步,時域不同; ˙複雜的訊號處理和模組處理; ˙不支援中斷和同步功能。免提語音控制和緩衝等應用需要低延遲環境。

回顧第一代主動音響系統,汽車設計人員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訊訊號控制,以營造車載麥克風與揚聲器系統所需的低延遲環境。新一代系統中,設計師將主動降噪技術整合到基於DSP的強大功放。然而,這一方案十分昂貴。

在當今的經濟型汽車中,功率放大器通常被整合在音響主機中的無線電元件。音響主機則在大型嵌入式CPU或多CPU平台運作,並為導航、資訊娛樂和智慧手機應用提供支援。此方案可以保證所需的計算能力,但無法實現低延遲環境。這一衝突通常是由作業系統(OS)——Linux引起,Linux在任務切換時僅能實現100毫秒延遲,遠遠滿足不ANC的最低要求。

為滿足音訊元件的低延遲和成本需求,分擔主處理器負載,並將小型專用DSP整合到SoC以實現主動降噪是個不錯的選擇。這樣一來,主處理器可以專注於運行計算密集型任務;DSP則可收集車輛、麥克風和揚聲器的資料,並為這些應用執行功能軟體。

Cadence的Tensilica HiFi DSP支持超過160種音訊、聲音、語音辨識,以及音訊和語音增強套裝軟體,提供充足的計算資源以支援其他音訊處理演算法,包括聲學回聲消除(acoustic echo cancellation)、波束成形(beamforming)和聲場(sound-stage)擴展。

總結

利用ANC和ASD等音訊技術,汽車製造商可以最大限度地降低引擎噪音,並創造出獨特的引擎聲效。搭載支援ANC和ASD演算法的小型低功耗專屬DSP,可以有效分流主處理器工作負載,滿足車輛對系統效能的需求。