市場(chǎng)和應(yīng)用概況

 

在汽車座艙電子市場(chǎng)，隨著汽車制造商努力實(shí)現(xiàn)車輛差異化以區(qū)別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，一個(gè)越來越明顯的趨勢(shì)是音頻、語(yǔ)音和聲學(xué)相關(guān)應(yīng)用正在迅速擴(kuò)張。此外，隨著普通消費(fèi)者對(duì)技術(shù)越來越了解，其對(duì)駕駛體驗(yàn)和個(gè)人與車輛交互水平的期望也在大幅提高。家庭影院質(zhì)量的音響系統(tǒng)已成為所有價(jià)位車輛的尋常配置，現(xiàn)在還出現(xiàn)了復(fù)雜的語(yǔ)音免提(HF)和車內(nèi)通信(ICC)系統(tǒng)。另外，傳統(tǒng)上僅部署于頂級(jí)高端車輛中的主動(dòng)降噪和路噪降噪(ANC/RNC)系統(tǒng)，現(xiàn)在也進(jìn)入了一般人負(fù)擔(dān)得起的主流市場(chǎng)。展望未來，基于音頻或聲學(xué)的技術(shù)將成為L(zhǎng)4/L5級(jí)自動(dòng)駕駛車輛發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)的關(guān)鍵組成部分，因?yàn)镋CU需要檢測(cè)是否存在應(yīng)急車輛。

 

所有這些傳統(tǒng)和新興應(yīng)用的共同點(diǎn)是依賴于高性能聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)，例如麥克風(fēng)和加速度計(jì)。幾乎所有新興應(yīng)用都需要多個(gè)聲學(xué)傳感器（如麥克風(fēng)或麥克風(fēng)陣列）來實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)級(jí)性能，因此需要一種簡(jiǎn)單但經(jīng)濟(jì)高效的互連技術(shù)來確保系統(tǒng)總成本最小化。長(zhǎng)久以來，缺乏麥克風(fēng)優(yōu)化的互連技術(shù)一直是汽車制造商的一大痛點(diǎn)，每個(gè)麥克風(fēng)都需要使用昂貴笨重的屏蔽模擬電纜直連到處理單元。這些增加的成本——主要是實(shí)際的布線，其次是重量增加和燃油效率降低方面——在許多情況下阻礙了這些應(yīng)用的廣泛采用，或者至少是將其限制在高端市場(chǎng)。數(shù)字麥克風(fēng)和連接技術(shù)的最新進(jìn)展有望推動(dòng)變革性應(yīng)用在新世代車輛信息娛樂系統(tǒng)中迅速得到采用。A2B技術(shù)將大有可為。

 

傳統(tǒng)模擬麥克風(fēng)的實(shí)現(xiàn)和局限

 

大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)都禁止開車時(shí)使用手持電話，支持Bluetooth^®的免提裝置已成為幾乎所有車輛的標(biāo)配設(shè)備。市場(chǎng)上有各種各樣的免提解決方案——從簡(jiǎn)單的包含揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的獨(dú)立單元，到完全集成在車輛信息娛樂系統(tǒng)中的高級(jí)解決方案。直到最近，大多數(shù)免提系統(tǒng)是以非常相似的方式實(shí)現(xiàn)的。此類系統(tǒng)僅包含一個(gè)（少數(shù)有兩個(gè)）麥克風(fēng)，相關(guān)的麥克風(fēng)技術(shù)是50年前的駐極體電容麥克風(fēng)(ECM)類型。所傳輸音頻的語(yǔ)音質(zhì)量常常不能令人滿意，尤其是簡(jiǎn)單的獨(dú)立單元，麥克風(fēng)與講話者嘴巴之間的距離可能相當(dāng)大。如果將麥克風(fēng)安裝在盡可能靠近嘴巴的位置（例如車輛的車頂板中），通信質(zhì)量可以有所改善。然而，在這種情況下，如果要同樣地支持駕駛員和乘客，那么前排兩個(gè)座位都需要有麥克風(fēng)。

 

典型的汽車ECM麥克風(fēng)是一種將ECM單元與小型放大器電路整合在單個(gè)外殼中的裝置。放大器提供一個(gè)模擬信號(hào)，其電壓電平允許信號(hào)通過數(shù)米長(zhǎng)的電線進(jìn)行傳輸，這也是典型汽車應(yīng)用的要求。若不放大，原始ECM信號(hào)對(duì)于如此長(zhǎng)的電線來說太低，由于電線上的電磁干擾，信噪比(SNR)會(huì)降低過多。即使放大信號(hào)，也需要屏蔽線纜——通常是雙線電纜，通過一個(gè)偏置電壓(8V)為麥克風(fēng)裝置供電?？紤]到這種布線要求，由于重量和系統(tǒng)成本制約，顯然主流車輛中使用的ECM器件數(shù)量很有限。

 

ECM的少數(shù)優(yōu)點(diǎn)之一是其內(nèi)置聲學(xué)指向性，通常將其調(diào)整為超心型極性圖（MEMS麥克風(fēng)也可以做成指向的，但通常需要更復(fù)雜的聲學(xué)設(shè)計(jì)）。通?？梢詫?shí)現(xiàn)10 dB或更多的后向衰減，"后向"是指朝向擋風(fēng)玻璃的方向，從其中只會(huì)產(chǎn)生噪聲（即沒有期望的信號(hào)，例如講話者的語(yǔ)音）。在期望信號(hào)的進(jìn)入方向上具有更高靈敏度非常有利于提高SNR。然而，定向ECM單元會(huì)引入不必要的副作用，例如高通特性——靈敏度在較低頻率時(shí)會(huì)降低。這種高通響應(yīng)的3 dB截止頻率通常在300 Hz至350 Hz范圍內(nèi)。在HF技術(shù)的早期，這種高通特性是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)噪聲主要以較低頻率存在，發(fā)動(dòng)機(jī)聲音本身會(huì)經(jīng)過麥克風(fēng)衰減。然而，自從寬帶或HD通話出現(xiàn)以來，這種高通特性開始成為一個(gè)問題。在寬帶通話中，有效帶寬從300 Hz到3400 Hz增加為100 Hz至7000 Hz。麥克風(fēng)的自身高通濾波特性使得有必要在后處理單元中放大100 Hz至300 Hz的信號(hào)，而如果麥克風(fēng)本身能提供更好的音頻帶寬，則不需要放大此范圍內(nèi)的信號(hào)。ECM技術(shù)的另一個(gè)缺點(diǎn)是不同器件的靈敏度和頻率響應(yīng)差異很大。ECM的制造公差相對(duì)較大，這對(duì)于單個(gè)麥克風(fēng)應(yīng)用可能不是問題。但是，如果在間距較小的麥克風(fēng)陣列應(yīng)用中部署多個(gè)麥克風(fēng)信號(hào)，則麥克風(fēng)之間的嚴(yán)格匹配對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳陣列性能至關(guān)重要。在這種情況下，ECM難以使用。此外，從物理尺寸角度看，傳統(tǒng)ECM單元一般不適合于小型麥克風(fēng)陣列。

 

麥克風(fēng)陣列具有廣泛的適用性，包括在車內(nèi)，因?yàn)榕c傳統(tǒng)ECM相比，陣列能提供類似（常常更優(yōu)越）的定向性能。關(guān)于聲音沖擊方向的空間信息，可以使用陣列中分組的兩個(gè)或更多個(gè)合適的麥克風(fēng)來從麥克風(fēng)信號(hào)中提取。這類算法常被稱為波束成型(BF)。"波束成型"一詞源自與相控陣天線技術(shù)的類比，利用簡(jiǎn)單的純線性濾波器和求和算法可以將天線陣列發(fā)射的無(wú)線電"波束"聚焦在某個(gè)方向上。雖然麥克風(fēng)陣列中沒有這樣的波束，但波束成型這一術(shù)語(yǔ)在麥克風(fēng)信號(hào)處理領(lǐng)域也很常見，相比于簡(jiǎn)單的線性波束成型處理，它涵蓋了更廣泛的線性和非線性算法，支持實(shí)現(xiàn)更高的性能和更大的靈活性。

 

除了波束成型處理之外，原始麥克風(fēng)信號(hào)幾乎總是需要后處理，因?yàn)槊總€(gè)HF麥克風(fēng)都會(huì)同時(shí)捕獲期望的語(yǔ)音信號(hào)和環(huán)境（若座艙）中的干擾。風(fēng)噪、路噪和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲會(huì)降低SNR，通過揚(yáng)聲器播放的信號(hào)——通常稱為揚(yáng)聲器回波——也是不需要的信號(hào)源。為了減少這種干擾并改善語(yǔ)音質(zhì)量，需要采用復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，常常稱之為回聲消除和降噪(AEC/NR)。AEC從麥克風(fēng)中消除揚(yáng)聲器聲音，否則它會(huì)作為在線路另一端講話的人聲的回聲傳輸。NR則在降低恒常存在的行駛噪聲的同時(shí)提高所傳輸信號(hào)的SNR。雖然國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了詳細(xì)規(guī)范（例如ITU-T P.1100和P.1110）來定義HF系統(tǒng)的許多性能細(xì)節(jié)，但在行駛車輛中通話時(shí)，如果AEC/NR處理達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，人們對(duì)通信質(zhì)量的主觀印象可能不會(huì)滿意。與前面提到的BF算法一起，AEC/NR/BF的組合賦能廣泛的新型應(yīng)用，所有這些應(yīng)用都與某種程度的數(shù)字音頻信號(hào)處理相關(guān)。為了支持這些應(yīng)用，需要新一代消除了傳統(tǒng)ECM缺點(diǎn)的麥克風(fēng)技術(shù)。

 

數(shù)字MEMS麥克風(fēng)的技術(shù)和性能優(yōu)勢(shì)

 

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)迅速成為麥克風(fēng)的新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)橄啾葌鹘y(tǒng)ECM，它提供了許多優(yōu)勢(shì)。首先，MEMS使得聲音傳感器比現(xiàn)有ECM單元要小得多。此外，將MEMS傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)集成在單個(gè)IC中所得到的數(shù)字麥克風(fēng)，能夠提供可立即進(jìn)行AEC/NR/BF處理的信號(hào)。

 

模擬接口MEMS麥克風(fēng)也存在，但其具有與模擬ECM相同的許多缺點(diǎn)，而且若使用傳統(tǒng)雙線模擬接口工作，甚至需要比ECM更復(fù)雜的放大器電路。只有采用全數(shù)字接口技術(shù)，才能顯著減輕模擬線路固有的干擾和SNR問題。此外，從生產(chǎn)角度看，MEMS也占選，因?yàn)镸EMS麥克風(fēng)的生產(chǎn)規(guī)格偏差比ECM單元要小得多，這對(duì)于BF算法很重要。最后，MEMS IC麥克風(fēng)的制造工藝大大簡(jiǎn)化，因?yàn)榭梢圆捎米詣?dòng)化安裝技術(shù)，整體生產(chǎn)成本得以降低。從應(yīng)用角度看，更小的尺寸是最大的優(yōu)勢(shì)，并且由于聲音入口非常小，MEMS麥克風(fēng)陣列實(shí)際上可以做成不可見的。傳感器的入口和聲音通道要求在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)質(zhì)量方面特別小心。如果聲學(xué)密封不牢，來自內(nèi)部結(jié)構(gòu)的噪聲可能到達(dá)傳感器，兩個(gè)傳感器之間的泄漏可能降低BF算法的性能。與可以設(shè)計(jì)和制造成全向或定向的典型ECM單元不同，MEMS麥克風(fēng)元件幾乎總是制造成全向式（即聲音接收沒有內(nèi)在方向性）。因此，MEMS麥克風(fēng)是忠實(shí)于相位的全向聲壓傳感器，為高級(jí)BF算法提供理想的信號(hào)，衰減方向和波束寬度可以由用戶通過軟件進(jìn)行配置。

 

一般來說，將所有信號(hào)處理模塊組織在一個(gè)集成算法套件中非常重要。如果功能模塊彼此孤立地實(shí)現(xiàn)，處理延遲將會(huì)不必要地增加，整體系統(tǒng)性能會(huì)下降。例如，BF算法始終應(yīng)與AEC一同實(shí)現(xiàn)，最好由同一提供商實(shí)現(xiàn)。如果BF算法在信號(hào)中引入任何非線性效應(yīng)，則AEC肯定會(huì)產(chǎn)生令人不滿意的結(jié)果。數(shù)字信號(hào)處理的理想結(jié)果最好通過一個(gè)集成算法包來實(shí)現(xiàn)，該算法包接收未降級(jí)的麥克風(fēng)信號(hào)。

 

下面詳細(xì)比較了標(biāo)準(zhǔn)線性BF和ADI專有算法，以便大家充分了解高級(jí)BF算法的性能潛力。圖1中的曲線顯示了三種不同BF算法在波束內(nèi)和波束外方向的極性特征和頻率響應(yīng)?；陔p麥克風(fēng)陣列的標(biāo)準(zhǔn)線性超心型算法用作基準(zhǔn)（黑色曲線）?；鶞?zhǔn)曲線顯示了典型零角度方向的最大衰減（即最大波束外衰減），以及180°處的"后瓣"，此處波束外衰減較低。由此產(chǎn)生的后瓣是線性算法中與波束寬度權(quán)衡的結(jié)果。心形梁（未示出）恰好在180°處有最大衰減。然而，其接受面積比超心型配置更寬。后瓣較不明顯且波束外衰減更高的波束可以通過非線性算法實(shí)現(xiàn)，紅色曲線顯示了該類的ADI專有雙麥克風(fēng)算法（麥克風(fēng)間距：20 mm）。

 

圖1.不同BF算法的極性衰減特征。 

 

陣列中有兩個(gè)全向麥克風(fēng)，因此波束形狀總是存在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。換句話說，極性圖中X°的衰減與360°- x°的衰減相同。這假設(shè)極性圖的0°至180°線等同于連接兩個(gè)麥克風(fēng)的想象線。三維波束形狀可以通過繞該麥克風(fēng)軸旋轉(zhuǎn)二維極性曲線來想象。無(wú)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的不對(duì)稱波束形狀或更窄波束需要至少三個(gè)麥克風(fēng)以三角形布置。例如，在典型的頭頂控制臺(tái)安裝中，雙麥克風(fēng)陣列可以衰減來自擋風(fēng)玻璃的聲音。然而，當(dāng)如此定向時(shí)，雙麥克風(fēng)陣列無(wú)法區(qū)分駕駛員與乘客。將陣列旋轉(zhuǎn)90°可以區(qū)分駕駛員與乘客，但擋風(fēng)玻璃產(chǎn)生的噪聲與座艙內(nèi)的聲音將會(huì)無(wú)法區(qū)分。只有使用三個(gè)或更多個(gè)配置成陣列的全向麥克風(fēng)，才能衰減擋風(fēng)玻璃噪聲并區(qū)分駕駛員和乘客。圖1中的綠色曲線顯示了相應(yīng)的ADI專有三麥克風(fēng)算法的示例性極性特征，其中麥克風(fēng)以等邊三角形布置，間距為20 mm。

 

極性圖利用從不同角度到達(dá)麥克風(fēng)陣列的帶限白色噪聲計(jì)算。音頻帶寬限制為100 Hz至7000 Hz，這是先進(jìn)蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)的寬帶（或高清語(yǔ)音）帶寬。圖2比較了不同算法類型的頻率響應(yīng)曲線。在波束內(nèi)方向上，所有算法的頻率響應(yīng)在期望音頻帶寬內(nèi)都是平坦的，符合預(yù)期。波束外頻率響應(yīng)針對(duì)波束外半空間（90°至270°）進(jìn)行計(jì)算，確認(rèn)在寬頻范圍內(nèi)波束外衰減很高。

 

圖2.不同BF算法的波束內(nèi)（虛線）和波束外（粗線）頻率響應(yīng)。

 

陣列麥克風(fēng)間距和音頻帶寬與采樣速率之間的關(guān)系值得進(jìn)一步討論。寬帶高清語(yǔ)音使用16 kHz的采樣速率，這是語(yǔ)音傳輸?shù)牧己眠x擇。當(dāng)前16 kHz寬帶采樣速率與早前窄帶系統(tǒng)所使用的8 kHz采樣速率相比，在語(yǔ)音質(zhì)量和語(yǔ)音清晰度方面差異巨大。由于語(yǔ)音識(shí)別提供商的推動(dòng)，對(duì)更高采樣速率（如24 kHz或32 kHz）的需求不斷增長(zhǎng)。語(yǔ)音頻段應(yīng)用可能要求高達(dá)48 kHz的采樣速率，這通常是主系統(tǒng)音頻采樣速率。底層動(dòng)機(jī)是避免在內(nèi)部進(jìn)行采樣速率轉(zhuǎn)換。然而，支持這些高采樣速率所需的額外計(jì)算資源與其產(chǎn)生的實(shí)際效果并不相稱，因此現(xiàn)在廣泛接受16 kHz或24 kHz作為大多數(shù)語(yǔ)音頻段應(yīng)用的推薦采樣速率。

 

對(duì)于波束成型應(yīng)用，高采樣速率是有問題的，因?yàn)樵陬l率等于聲速除以麥克風(fēng)間距兩倍的地方會(huì)發(fā)生空間混疊。在這種混疊頻率無(wú)法進(jìn)行波束成型，因此不希望發(fā)生空間混疊。如果將麥克風(fēng)間距限制在21 mm或更小，則可以避免寬帶系統(tǒng)（16 kHz采樣速率）中發(fā)生空間混疊。如果采樣速率更高，則間距需要更小才能避免空間混疊。然而，麥克風(fēng)間距過小也不行，因?yàn)辂溈孙L(fēng)容差，特別是麥克風(fēng)傳感器的內(nèi)在（非聲學(xué)）噪聲會(huì)成為問題。如果間距很小，一個(gè)陣列的麥克風(fēng)之間的干擾（如內(nèi)在噪聲）和靈敏度偏差可能會(huì)壓倒麥克風(fēng)之間的信號(hào)差異，導(dǎo)致信號(hào)差異變得微不足道。在實(shí)踐中，麥克風(fēng)間距不應(yīng)小于10 mm。

 

A²B 技術(shù)概述

 

A²B技術(shù)專門用來簡(jiǎn)化新興汽車麥克風(fēng)和傳感器密集型應(yīng)用的連接挑戰(zhàn)。從實(shí)現(xiàn)角度看，A²B是單個(gè)主器件、多個(gè)子節(jié)點(diǎn)（最多10個(gè)）的串行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前全面量產(chǎn)的第三代A²B收發(fā)器系列有五個(gè)成員，全部都提供汽車、工業(yè)和消費(fèi)電子溫度范圍。全功能AD2428W與四款功能減少、成本更低的衍生器件—AD2429W、AD2427W、AD2426W和AD2420W——構(gòu)成ADI公司最新的引腳兼容增強(qiáng)型A²B收發(fā)器系列。

 

AD2427W和AD2426W的功能有所減少（僅用于子節(jié)點(diǎn)），主要針對(duì)免提、ANC/RNC或ICC等麥克風(fēng)連接應(yīng)用。AD2429W和AD2420W是入門級(jí)A²B衍生器件，相對(duì)于全功能器件具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，特別適合于汽車eCall和多元件麥克風(fēng)陣列等成本敏感的應(yīng)用。表1比較了各種第三代A²B收發(fā)器的特性。

 

表1.A²B收發(fā)器特性比較

 

AD242x 系列支持通過菊花鏈將單個(gè)主器件和最多10個(gè)子節(jié)點(diǎn)連接起來，總線總距離可達(dá)40米，各節(jié)點(diǎn)之間距離最長(zhǎng)可達(dá)15米。相比于現(xiàn)有環(huán)形/并行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，A²B的菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，對(duì)整體系統(tǒng)的完整性和魯棒性很有利。如果A²B菊花鏈的一個(gè)連接受到影響，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不會(huì)崩潰。只有故障連接下游的節(jié)點(diǎn)會(huì)受影響。A²B的嵌入式診斷可以確定故障的起因，發(fā)出中斷信號(hào)，并啟動(dòng)糾正措施。

 

與現(xiàn)有數(shù)字總線架構(gòu)相比，A²B的主器件-從節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身更為高效。啟動(dòng)簡(jiǎn)單的總線初始化流程之后，無(wú)需更多處理器干預(yù)，總線即可正常運(yùn)行。A²B的獨(dú)特架構(gòu)帶來的一個(gè)附加優(yōu)點(diǎn)是，系統(tǒng)延遲是完全確定的（小于50 µs），并且延遲與音頻節(jié)點(diǎn)在A²B總線上的位置無(wú)關(guān)。此特性對(duì)ANC/RNC和ICC等語(yǔ)音和音頻應(yīng)用極其重要，在這些應(yīng)用中，必須以時(shí)序一致的方式處理多個(gè)遠(yuǎn)程傳感器的音頻樣本。

 

所有A2B收發(fā)器都能在一條非屏蔽雙絞線上傳輸音頻、控制、時(shí)鐘和供電信號(hào)。這可降低系統(tǒng)總成本，原因如下。

 

●    與傳統(tǒng)實(shí)施方案相比，減少了物理線纜的數(shù)量。

●    實(shí)際采用的線纜可以是成本更低、重量更輕的非屏蔽雙絞線，而非更昂貴的屏蔽電纜。

●    最重要的是，對(duì)于特定的應(yīng)用場(chǎng)景，A²B技術(shù)可提供總線供電能力，將不超過300 mA的電流傳輸至A²B菊花鏈上的音頻節(jié)點(diǎn)。有了這個(gè)總線供電能力，便無(wú)需在音頻ECU上使用本地電源，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。

 

A²B技術(shù)提供的總計(jì)50 Mbps總線帶寬最多可支持使用標(biāo)準(zhǔn)音頻采樣速率（44.1 kHz、48 kHz等）和位寬（16、24位）的至多51個(gè)上行和下行音頻通道。這可為廣泛的音頻I/O設(shè)備提供相當(dāng)大的靈活性和連接能力。在音頻ECU之間維持全數(shù)字音頻信號(hào)鏈可保證最高質(zhì)量的音頻品質(zhì)，不會(huì)因ADC/DAC轉(zhuǎn)換造成音頻性能下降。

 

開路、電線短路、電線反接、電線短路至電源或地。從系統(tǒng)完整性角度看，該功能非常重要，因?yàn)樵诔霈F(xiàn)開路、電線短路或電線反接等故障時(shí)，故障點(diǎn)上游的A²B節(jié)點(diǎn)仍然能夠正常工作。診斷功能還提供高效隔離系統(tǒng)級(jí)故障的能力，從汽車經(jīng)銷商/安裝人員的角度來看，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

 

最近宣布的第四代A²B收發(fā)器AD243x是在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的發(fā)展，提高了關(guān)鍵功能參數(shù)（節(jié)點(diǎn)數(shù)增加到17，總線供電功率增加到50 W），同時(shí)添加了額外的SPI控制通道(10 Mbps)，為智能A2B節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程編程提供了高效的軟件空中更新(SOTA)能力。AD243x系列的新特性使其非常適合于新應(yīng)用，如超高級(jí)麥克風(fēng)架構(gòu)中裝有LED的麥克風(fēng)節(jié)點(diǎn)。

 

A²B麥克風(fēng)和傳感器在汽車行業(yè)中的應(yīng)用

 

從單個(gè)語(yǔ)音麥克風(fēng)到用于HF通信的多元件BF麥克風(fēng)陣列，從ANC到RNC，從ICC到警報(bào)聲檢測(cè)，麥克風(fēng)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用越來越多。依照技術(shù)和市場(chǎng)趨勢(shì)，如今上路行駛的幾乎每輛新車都配備了至少一個(gè)用于HF通信的麥克風(fēng)模塊。高級(jí)和豪華車可能有六個(gè)或更多麥克風(fēng)模塊，這是實(shí)現(xiàn)BF、AEC、ANC、RNC、ICC等的全部潛能所必需的，數(shù)字MEMS麥克風(fēng)在這些應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

 

越來越多的麥克風(fēng)給車輛信息娛樂系統(tǒng)工程師提出了一個(gè)重大挑戰(zhàn)——如何簡(jiǎn)化連接線束并使其重量最輕。對(duì)于傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)而言，這不是簡(jiǎn)單的任務(wù)。模擬麥克風(fēng)至少需要一對(duì)雙屏蔽線（接地和信號(hào)/電源）、引腳及連接器腔用于互連。電線量始終是系統(tǒng)中麥克風(fēng)模塊數(shù)量的兩倍。同時(shí)，連接每個(gè)麥克風(fēng)模塊所需的線材長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致線束總重量增加得更快。緩解此問題的一種簡(jiǎn)單方法是在多個(gè)應(yīng)用之間共享麥克風(fēng)信號(hào)，從而減少系統(tǒng)中使用的麥克風(fēng)數(shù)量。例如，同一麥克風(fēng)信號(hào)既可用于HF通信，也可以用作ANC系統(tǒng)中的Error輸入。但是，不同應(yīng)用可能需要不同的麥克風(fēng)特性。在前面提到的例子中，HF麥克風(fēng)信號(hào)常常更希望具有上升頻率響應(yīng)形狀（即靈敏度隨著頻率的降低而降低），以消除座艙內(nèi)的低頻噪聲內(nèi)容。這是一種有用且非常有效的技術(shù)，可以提高語(yǔ)音麥克風(fēng)傳遞的語(yǔ)音清晰度。相反，ANC麥克風(fēng)在低頻時(shí)需要足夠高的靈敏度水平，因?yàn)锳NC算法的主要目的是降低低頻噪聲。因此，為了讓一個(gè)模擬系統(tǒng)中的兩個(gè)應(yīng)用共享同一麥克風(fēng)，需要將來自麥克風(fēng)的信號(hào)饋送到不同電路中以進(jìn)行適當(dāng)?shù)念l率濾波。這種情況下可能形成一個(gè)或多個(gè)接地環(huán)路，從而可能造成嚴(yán)重的噪聲問題。

 

作為一種具有菊花鏈連接能力的數(shù)字總線，A²B技術(shù)與數(shù)字MEMS麥克風(fēng)一起提供一種多麥克風(fēng)信號(hào)互連和/或共享解決方案，非常適合滿足車輛中迅速擴(kuò)張的音頻、語(yǔ)音、噪聲消除和其他聲學(xué)應(yīng)用的需求?？紤]一種虛構(gòu)但有示范意義的情況：某個(gè)汽車應(yīng)用需要一個(gè)HF麥克風(fēng)模塊、一個(gè)ANC麥克風(fēng)模塊和由兩個(gè)用于BF的麥克風(fēng)元件組成的簡(jiǎn)單陣列麥克風(fēng)模塊，所有三個(gè)模塊都集成在頂燈模組周圍。圖3a和3b分別顯示了如何利用傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)和數(shù)字A²B系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)。

 

圖3.(a) 采用模擬麥克風(fēng)元件的模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)（屏蔽線）。(b) 采用數(shù)字麥克風(fēng)元件的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)（A²B技術(shù)和UTP線）。

 

由于模擬系統(tǒng)不能輕松支持麥克風(fēng)共享，因此每個(gè)應(yīng)用模塊（HF、ANC和BF）需要專用麥克風(fēng)和單獨(dú)的線束來連接相應(yīng)的功能電路。這導(dǎo)致需要四個(gè)單獨(dú)的麥克風(fēng)元件和三組線束（總共七根線加屏蔽）。另一方面，數(shù)字A²B系統(tǒng)則能輕松支持共享信號(hào)，所以麥克風(fēng)元件的數(shù)量可以從四個(gè)減少到兩個(gè)。在這個(gè)具體例子中，由兩個(gè)寬帶全向麥克風(fēng)元件組成的單個(gè)麥克風(fēng)模組可用來提供兩個(gè)聲學(xué)信號(hào)通道，滿足所有應(yīng)用模塊的需求。一旦這兩個(gè)通道的信號(hào)通過簡(jiǎn)單的UTP線到達(dá)中央處理單元（例如音響主機(jī)或獨(dú)立功放），就可以共享并進(jìn)行數(shù)字處理以支持HF、ANC和BF應(yīng)用。

 

雖然圖3所示的例子可能不代表實(shí)際情況，但它清楚展示了A²B技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)模擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。A²B技術(shù)等數(shù)字音頻總線系統(tǒng)解決了汽車制造商的挑戰(zhàn)，使它們可以提出新的音頻和聲學(xué)相關(guān)概念來增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，并支持將這些概念更快推向市場(chǎng)。

 

實(shí)際上，A²B技術(shù)的商業(yè)化已經(jīng)使得汽車市場(chǎng)的許多應(yīng)用成為可能，其中既有新應(yīng)用，也有以前難以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。例如，汽車音頻解決方案的領(lǐng)先提供商Harman International開發(fā)了一系列數(shù)字麥克風(fēng)和傳感器模塊，其利用A²B系統(tǒng)來賦能各種汽車應(yīng)用。圖4顯示了一些常見的汽車A²B麥克風(fēng)和傳感器以及它們?nèi)绾斡糜谄嚿?。這些傳感器包括：?jiǎn)蝹€(gè)A²B麥克風(fēng)，用于ANC和語(yǔ)音通信的多元件麥克風(fēng)陣列，用于RNC的A²B加速度計(jì)，外部安裝的保險(xiǎn)杠A²B麥克風(fēng)，以及用于緊急警報(bào)檢測(cè)和聲學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)的車頂A²B麥克風(fēng)陣列。在這些A²B麥克風(fēng)和加速度計(jì)的賦能下，越來越多需要多傳感器輸入的應(yīng)用解決方案正在開發(fā)當(dāng)中，以進(jìn)一步增強(qiáng)汽車行業(yè)的用戶體驗(yàn)。

 

總結(jié)

 

未來的車輛架構(gòu)將越來越依賴于麥克風(fēng)和加速度計(jì)之類的高性能聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)。包括傳感器、互連和處理器的完全數(shù)字化方法可帶來重要的性能和系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)。ADI公司正與Harman International合作提供經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，以為最終客戶創(chuàng)造價(jià)值并實(shí)現(xiàn)差異化。

 

圖4.常見A²B麥克風(fēng)和傳感器。

 

 

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