智能座舱架构与芯片- (9) 音频篇 上_能转换模拟信号的麦克风模块

一、音频总线

音频是智能座舱的核心功能，涵盖车载音响、语音识别、e-Call、消噪及回声消除等应用，随着汽车智能网联化的发展，对音频的开发要求也越来越高。传统的车载音频系统采用模拟并行音频信号传输方式，难以在功能增加与整车轻量化（线缆的重量及成本减少）之间取得均衡。

为了解决智能座舱空间中的音频问题，连接多个车内音频设备，需要有性能更高，效果更好的音频总线，用来连接和构建功能更丰富的车载音频系统。

1.1 模拟音频数据线

传统的车载音响系统中，通常采用模拟信号线来传输音频信号。此时用于输入的麦克风，用于输出的扬声器，均为模拟音频器件。其主要传输途径如下图所示：

• 模拟麦克风：采集到现实世界中的声音，通过正弦波形输出声音信号；并通过模拟音频信号线传输到ADC中；
• ADC：模数转换器。将正弦波形通过波形调制，转换成数字信号，而后传入数字信号处理器中。这个数字信号处理器可以是专用的DSP芯片，也可以是SOC主芯片内部的Audio DSP，甚至是CPU等之类能处理数字信号的设备。
• DAC：数模转换器。经过数字系统处理后的声音数字信号，通过数模转换器，转换为模拟形态的声音正弦波，在模拟信号线上传输到扬声器。
• 扬声器：一般只接收模拟信号，并且需要经过功放器进行功率放大，而后通过喇叭放出音响。

采用模拟声音传输方式，其最大的问题在于传输线缆和传输接口的数量不足。比如说，一个麦克风只能采集1个声道的数据，如果需要多声道，则多个麦克风各需要一根模拟音频传输线接入ADC中。那么ADC的输入接口数目就会存在瓶颈。同样，如果需要支持多个扬声器输出，则DAC的输出接口也同样是瓶颈。

同时，采用模拟音频传输的扩展性和灵活性也不足。比如说，假如车载音响在设计时只支持左右声道两个扬声器。如果需要对音响系统进行升级，扩充到5.1环绕立体声，那么就很难增加模拟接口和模拟音频线去连接到6个扬声器。

1.2 AVB

在硬件篇，车载以太网一节中，我们曾经简要介绍过以太网音视频桥接技术 AVB(Audio/Vedio Bridge)。由于传统的以太网并不是时间精确的，不适合实时应用。为了传输音视频信号，可以对以太网进行改进，从而提供时间关键的数据传输。

在音频系统中，AVB可以被用来传输不同设备之间的数字音频信号。例如从智能座舱SOC向音频功放盒子Amplifier Box传输多个通道的音源信号；或者从一个收音机盒子向智能座舱SOC传送数字声音信号；或者从一个外部设备(笔记本电脑)向智能座舱SOC传输音视频信号，等等。一个典型的AVB网络拓扑图如下图所示：

• Talker：输出音视频数据的终端节点，也称为Source，例如麦克风等。
• Listener：接收音视频数据的终端节点，也称为Sink，例如扬声器等。有些设备既可以是Talker，也可以同时是Listener，例如智能座舱SOC。
• AV Bridge：支持AVB协议的音视频网关，例如以太网交换机等。

AVB的协议栈如下图所示：

可以看出，AVB主要是链路层的协议，它和传统的TCP/IP协议栈是并列共存的关系。

AVB协议栈不仅包括了前面提到的带宽预留和时钟同步协议，还包括其他一些辅助协议，主要协议如下：

• IEEE Std 802.1AS-2011：精确时钟同步协议(Generalized Precision Time Protocol，简称gPTP），用来将网络内所有节点的时钟同步同步到同一个主时钟。
• IEEE Std 802.1 Qat：带宽预留协议（Stream Reservation Protocol，简称SRP)，用于音视频流的动态带宽分配。
• IEEE Std 802.1 Qav：流量整形协议（Forwarding and Queuing for time-sensitive streams，简称FQTSS)，负责对流量进行排队、转发管理，用于交换机中传输控制和帧的中间缓冲。
• IEEE Std 1722-2016：音视频传输协议（Audio Video Transport Protocol，简称AVTP)。
• IEEE Std 1722.1-2013：音视频管理协议（Audio Video Discovery, Enumeration, Connection management, and Control protocol，简称AVDECC)，负责服务发现，节点能力遍历，链接管理等控制功能。
• IEEE Std 1733-2011：基于AVB的RTP/RTCP传输协议（Layer 3 Transport Protocol for Time Sensitive Applications in Local Area Networks)，它主要是将传统的RTP/RTCP流映射到二层的AVB流，使用layer 2 中AVB的性能，从而降低延时、提高同步精度。

AVB能够解决智能座舱音频播放中的2个主要问题：

1.延时问题：

网络传输存在延时，或者不同来源的网络流存在竞争性关系。AVB通过预留带宽和QOS设置，保证传输延时小，实时性好。

2. 同步问题：

媒体时钟同步：不同的媒体设备具有不一样的时钟源。例如，AVB中的talker和listener是不同的设备，它们的参考时钟源可能并不相同。如何保证它们具有相同的采样频率？通过802.1AS(gPTP协议)，所有这些媒体设备的时钟源都映射到相同的gPTP时间，这样就实现了媒体时钟同步。从而保证talker和listener设备可以使用相同的采样率进行采集和播放。

播放时间同步：talker可以指示接收方在未来的某个时间点播放。当AVB系统中具有多个listener时，可以合理安排好各设备的播放时间，使得它们可以在未来的同一时刻同时播放。

AVB在智能座舱中的一个实际应用场景，是智能座舱中有多个扬声器。CDC通过AVB传输音频信号到各扬声器，由于gPTP协议保证了所有扬声器的时钟是同步的，而后通过播放时间同步，使得各扬声器同时进行播放。

1.3 A2B

A2B是另外一种可以解决智能座舱音频播放的延时问题与同步问题的音频总线技术。

A2B(Automotive Audio Bus)是ADI公司开发的一种高带宽双向数字音频总线。它能够在很长的距离上(节点间的距离最长达15 m，整个菊花链长度超过40m)，使用一条非屏蔽双绞线传输I2S/TDM/PDM数据和I2C控制信息以及时钟和供电信号。 A2B可用作自己内置嵌入式子网的网络，或与其他较长的距离协议结合使用的端点传输总线。时钟在单个A2B 网络中的所有节点上同步。同时在系统中的每个节点上接收麦克风和串行音频数据。

A2B总线的优点：

• 可配置，灵活，低风险且易于使用：A2B 收发器允许 I2C 主机访问系统中的所有收发器。使用 SigmaStudio(®) 图形化开发环境（与支持ADI公司 SigmaDSP(®) 和 SHARC(®) 处理器系列的开发工具相同）可简化采用A2B 的系统的设计过程。ADI还提供众多的全功能评估系统，可快速完成 A2B 网络的原型制作并加快早期系统概念验证、测试、验证和调试过程。
• 降低系统和电缆成本、重量和复杂性：使用 A2B 无需昂贵的微控制器和外部存储器。能够在用于传输数据的同一UTP（非屏蔽双绞线）电缆上向远程节点供电的收发器，在每个总线供电的从机节点上无需本地电源，从而降低整体系统BOM成本。与可能需要两个或三个双绞线连接或昂贵布线方案的其他数字总线架构相比，UTP电缆节省了系统级成本，例如连接车辆音频系统所需的重型电缆线束。
• 出色的音频质量：A2B具有可配置的44.1kHz或48kHz帧速率以及高达50Mbps的带宽，非常适合传输数字音频并提供相对于模拟连接的出色音频质量。系统节点在每个方向上支持多达32个总线插槽(slot)，且slot宽度可编程为最高32位，从而支持 I2S 以及高达TDM32的众多TDM配置。同时本地支持PDM输入，收发器将输入抽取为PCM格式，然后将其放在 A2B 总线上。
• 确定性低延迟：A2B 技术确保在每个帧的所有系统节点上同步采样和传递数据。帧结构在主机节点上被完全控制，以便对每个收发器在两个方向上使用可用的数据时隙进行编程，无论是贡献、提取或读取数据并将其传递到线路拓扑结构中的下一个节点。由于总线冲突或分组数据重组而导致的延迟会被移除。A2B 具有低于50µs的确定性极低延迟。
• 多种网络拓扑连接：A2B技术支持点对点、菊花链和分支网络拓扑。

每个网络都由一个主节点和多达10个从节点组成。主节点包含一个连接至主机处理器的A2B收发器，该收发器可以将音频、控制数据和I2C数据发送至A2B总线。从节点的复杂度各不相同（从具备强大处理能力的优质放大器到总线供电的麦克风节点），都包含A2B收发器，可连接各种器件，例如麦克风、数字信号处理器(DSP)、扬声器、传感器（例如加速度计），或者D类放大器。主从收发器器件支持多种其他特性，例如支持时分多路复用(TDM)和脉冲密度调制(PDM)麦克风输入。从A2B收发器衍生出来的简化产品具备各种级别的功能，例如端点从节点（不支持TDM）、简化型主节点（支持较短的电缆和更少的从节点数量），以及简化型端点从节点（支持较短电缆和更少的PDM输入）。

作为A2B master或者slave 节点的器件功能框图如下所示：

A2B的应用场景

如下图，是ADI公司给出的A2B音频总线在智能座舱中的应用：

在上图中，我们可以看到，位居中央的是ADI SHARC® 作为Audio Processor。它可以通过A2B总线连接分立的功放器件(Distributed Amplifier)；也可以通过A2B连接AM/FM, DAB, HD Radio等收音机模块；还可以通过A2B菊花链方式，连接麦克风阵列。目前车载音响系统中，使用A2B总线连接Amplifier功放和麦克风阵列的案例较为普遍。还有一些应用场景是ANC/RNC的ECU box，以及头枕音响系统等等。

采用A2B总线有利于简化远程音频节点的布线。例如本来通过屏蔽电缆传输的单向模拟信号，可以变为菊花链方式的双向高保真数字音频传输。

传统的采用模拟音频线的音响系统

替换A2B之后的数字音频系统

二、收音机

车载收音机已经成为汽车座舱的标配，早在1952 年，德国公司 Blaupunkt 生产了第一台用于汽车的 FM 收音机。一年之后，Becker Audiosound 生产了一款 AM/FM 组合收音机。仅仅在20年以前，汽车内收听电台曾经是司机用户们唯一可用的娱乐系统。

车载收音机与消费电子级别收音机的区别，主要在于以下几点：

• 车规级要求：作为汽车前装产品，车载收音机需要满足车规级标准。即工作环境温度和可靠性要求，相比消费电子，要经过相关标准的认证。(AEC Q-100, etc..)
• 功率较大：一般的家用收音机功率在50mW到1W之间，而车载收音机一般在5W以上。因为汽车可能通行到乡村或者山区，其信号接收强度不高。
• 支持FM/AM和数字音频：根据不同国家和地区的需求，车载收音机一般要支持FM和AM这2种模式。在欧洲，需要支持DAB数字广播音频；在北美，消费者对卫星收音机如SXM等需求较强。以上功能需求虽非强制，但市场需求旺盛。
• 降噪：在汽车行驶过程中，由于多普勒效应与电波反射的叠加影响，通过反射到达的反射波与直接电波叠加后会令合成信号加强或减弱，从而令信号起伏变化很大，于是收音机信号产生失真，会发出“的的”噪音。这就是多径干扰(WAM)。采用双tuner双天线，使用一种称之为Phase Diversity的技术是解决多径干扰的有效方式之一。

2.1 模拟收音机

传统的车载收音机通过天线接收无线电信号，然后由调谐模块(Tuner)进行信号调谐，信道过滤，信道均衡，多路改善，信号解调等，转为数字信号后再交给DSP进行立体声解码，噪声抑制，弱信号处理，最后从车载音响系统进行播放。

目前汽车主流的收音机是超外差式收音机工作原理：输入信号和本机振荡信号产生一个固定中频信号的过程。 因为，它是比高频信号低，比低频信号又高的超音频信号，所以这种接收方式叫超外差式；

对于接收电路来说，要具有一定的通频带，其频率响应曲线不能是尖锐的山峰状，而必须是梯形。对于一个固定的放大器，在某个固定频段实现带宽放大是可行的，但是要做到在整个频率范围内的带宽放大，就不是那么容易的事情了，至少不可能通过几个晶体管实现。于是就出现了这种固定频带的中频放大器，对于收音机来说AM固定在465KHZ，FM固定在10.7MHZ。

根据汽车所使用的国家地区的不同，作为入门级的模拟制式收音机，需要支持FM和AM两种调制方式，一般采用单Tuner单天线的方式来实现。以NXP的TEF665x系列为例进行说明：

它的特性主要有：

• FM接收器，其65 MHz-108 MHz的调谐范围覆盖了东欧(OIRT)、日本、欧洲和美国波段。
• 覆盖LW、MW和全部SW的AM接收器
• 完全集成的调谐系统，具有低相位噪声和快速调谐
• 带有AGC的FM LNA
• 用于将频率转换为低中频复杂信号的FM混音器
• 带有AGC、可匹配有源和无源天线应用的AM LNA
• 用于将频率转换为低中频复杂信号(AM SW)的AM混音器
• 高动态范围中频ADC
• 数字IF信号处理，包括：抽选、转换到基带、AGC控制、I/Q校正、可变IF带宽滤波(PACS)和解调
• FM立体声解码
• 基带I²S输出，支持带外部数字无线电协处理器（TEF6659）的高清无线电和DRM1

2.2 数字收音机

随着软件定义无线电(SDR)的发展，不少国家和地区都开发了数字音频广播技术。

根据数字收音机的技术发展，在不同的地区或者国家市场，需要支持不同的数字音频广播技术。同时，还需要考虑支持PD(Phase Diversity)技术和后台扫描技术，因此需要支持双Tuner和双天线。以NXP公司的SAF360x系列为例，简要说明数字广播收音机的特性：

NXP通过采用Radion(SAF360x)+Mercury(SAF4000)双芯片架构，支持如下工作模式组合：

• AM+AM/FM BGS + DAB BGS
• FM PD+FM BGS+DAB MRC BGS
• DAB MRC+FM PD +FM BGS + DAB BGS
• Seamless blending

2.3 SXM

在北美市场，消费者对卫星收音和音频流媒体需求旺盛。一般来说，美国高端座舱系统必备SXM卫星收音模块。SXM(SiriusXM) 是一家美国卫星广播公司，它总部位于曼哈顿市中心，提供在美国运营的卫星广播和音乐流媒体在线广播服务。它是由Sirius卫星广播和XM卫星广播于2008年合并为SiriusXM。

如果智能座舱希望搭载SXM模块，那么需要考虑如下几点：

参考资料

1. 音频信号类型及协议基础知识 - sheldon_blogs - 博客园
2. 面向中国市场的车载收音机解决方.PDF-原创力文档
3. 车载收音机基础（41页）-原创力文档
4. 基于DSP的无线电调谐器单芯片 | NXP 半导体
5. SAF360x | NXP 半导体