真實(shí)還原汽車引擎聲浪——WT2003Hx語音芯片方案

PART.01

產(chǎn)品市場

WT2003Hx是一款高性能的MP3音頻解碼芯片，具有成本效益、低功耗和高可靠性等特點(diǎn)，適用于多種場景，包括但不限于汽車娛樂系統(tǒng)、玩具、教育設(shè)備以及專業(yè)音響設(shè)備等。在模擬汽車引擎聲的應(yīng)用中，這一芯片的特性被特別地加以利用，以滿足市場上對沉浸式駕駛體驗(yàn)的需求。

此類應(yīng)用主要面向汽車后市場，尤其是那些對駕駛體驗(yàn)有高度追求的車主，以及汽車改裝愛好者。此外，隨著電動汽車的普及，模擬引擎聲音的解決方案也吸引了電動汽車制造商，因?yàn)殡妱榆囘\(yùn)行時較為安靜，模擬引擎聲可以提升駕駛體驗(yàn)并增加行人安全警示。不僅限于私家車輛，還可能擴(kuò)展到賽車模擬器、汽車展示廳、主題公園的駕駛體驗(yàn)項目，甚至是一些高端的兒童玩具車，以提升產(chǎn)品的娛樂性和互動性。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和消費(fèi)者對個性化、差異化體驗(yàn)需求的增長，模擬汽車引擎聲的應(yīng)用市場預(yù)計將持續(xù)擴(kuò)大。特別是在電動汽車市場，隨著全球推動綠色出行，模擬引擎聲音成為了解決電動車行駛靜音問題的一個創(chuàng)新方案。

雖然市場上存在其他解決方案，如基于軟件的手機(jī)應(yīng)用程序或?qū)ｉT的引擎聲音模擬器硬件，但基于WT2003Hx芯片的方案憑借其一體化、高性價比和音質(zhì)優(yōu)勢，在特定細(xì)分市場中具有較強(qiáng)的競爭力。

綜上所述，基于WT2003Hx芯片的模擬汽車引擎聲應(yīng)用市場前景廣闊，尤其在追求駕駛樂趣和聲音體驗(yàn)的細(xì)分市場中潛力巨大，有望成為未來汽車娛樂系統(tǒng)和個人娛樂設(shè)備中的一個重要組成部分。

PART.02

產(chǎn)品方案對比

傳統(tǒng)方案：變速變調(diào)

基本原理：傳統(tǒng)方案通?；诤唵蔚淖兯僮冋{(diào)技術(shù)，即通過改變音頻樣本的播放速率來模擬引擎轉(zhuǎn)速的變化。當(dāng)汽車加速時，音頻播放速度加快，反之則減慢，以此模擬真實(shí)的引擎加速和減速過程中的聲音變化。

聲音效果：這種方式可以提供基礎(chǔ)的加速感，但可能會導(dǎo)致音高與速度之間的不自然關(guān)系，聽起來可能不夠真實(shí)，尤其是當(dāng)速度變化較大時，聲音的音調(diào)變化會顯得突兀。

實(shí)現(xiàn)難度：技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對簡單，不需要復(fù)雜的算法支持，易于快速部署。

優(yōu)化方案:移頻

基本原理：移頻技術(shù)在保持原始音頻的時長不變的基礎(chǔ)上，獨(dú)立調(diào)整音頻的音高。這種技術(shù)可以更精確地模擬引擎聲音的變化，同時保持自然的音調(diào)和音色，即使在大范圍速度變化時也能保持聲音的真實(shí)感。

聲音效果：優(yōu)化方案能夠提供更加細(xì)膩和真實(shí)的聽覺體驗(yàn)，通過對聲音頻譜的細(xì)致調(diào)整，可以模擬出包括換擋時的細(xì)微聲響變化，使駕駛者感受到更為貼近真實(shí)車輛的駕駛體驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn)難度：相比傳統(tǒng)方案，移頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜，需要高級的音頻處理算法和計算資源。這可能涉及信號處理、頻域分析和變換等復(fù)雜步驟，以確保音質(zhì)不失真且自然。

應(yīng)用實(shí)例：如Bose等公司開發(fā)的電動車引擎聲模擬技術(shù)，不僅模擬了傳統(tǒng)燃油車的多種聲音組合，還通過精密算法創(chuàng)造出身臨其境的“發(fā)動機(jī)”轟鳴感，提升了駕駛者的沉浸感和情感連接。

綜上所述，移頻方案在模擬汽車引擎聲方面提供了更高質(zhì)量的體驗(yàn)，通過精細(xì)的音頻處理技術(shù)確保聲音的真實(shí)性和自然過渡，盡管其實(shí)施成本和技術(shù)復(fù)雜度相對較高。而傳統(tǒng)方案（變速變調(diào)）則是一個成本效益較高、易于實(shí)現(xiàn)的選擇，但在聲音的真實(shí)感和質(zhì)量上可能有所欠缺。隨著技術(shù)的進(jìn)步和消費(fèi)者對體驗(yàn)要求的提高，優(yōu)化方案正逐漸成為高端汽車音響設(shè)計的趨勢。

PART.03

芯片介紹

3.1芯片資源

32位MCU，內(nèi)置Flash；

兩個UART控制器(UART0/1)；

兩個SPI(SPI0/1)，支持主模式和從模式；

四通道PWM輸出；

內(nèi)置0.5W/8歐PWM功放；

10位ADC；

低至2ua的掉電模式（深度休眠模式）；

強(qiáng)大的IO驅(qū)動能力，最大提供64ma驅(qū)動電流；

支持用戶遠(yuǎn)程更新或批量生產(chǎn)更新功能/語音內(nèi)容

3.2封裝介紹

WT2003H系列芯片的封裝有 SOP16、TSSOP24和 QFN32，適合應(yīng)用于各種場合，其引腳簡圖以及管腳定義如下：

SOP16封裝：

TSSOP24封裝：

QFN32封裝:

PART.04

功能介紹

WT2003HX芯片雖然主要設(shè)計為語音播報芯片，用于播放預(yù)置的語音信息，利用其強(qiáng)大的音頻處理和播放能力，同樣可以應(yīng)用于模擬汽車引擎聲的場景。

4.1語音播報

WT2003HX支持MP3等高質(zhì)量音頻格式，能夠播放清晰、逼真的汽車引擎音頻，為用戶提供沉浸式的模擬體驗(yàn)。其高性能32位處理器保證了音頻的流暢播放，即使在復(fù)雜的音頻片段中也能保持聲音的自然度和細(xì)節(jié)。內(nèi)置有不同容量的Flash存儲空間，允許存儲長達(dá)100秒至1000秒的音頻內(nèi)容，足以覆蓋從怠速到全速的各種汽車引擎聲音樣本，滿足不同情境下對引擎聲音模擬的需求。

4.2移頻功能

音頻的移頻（Audio Frequency Shifting）是指在音頻信號處理過程中，通過數(shù)字信號處理技術(shù)改變音頻內(nèi)容中所有頻率成分的整體偏移，而不改變音頻的時序和時長。這通常涉及將音頻信號的頻譜整體向上或向下平移，從而改變其聽起來的音高（音調(diào)），需要注意的是，移頻處理時保持原始信號的音質(zhì)和自然度是一大挑戰(zhàn)，過度的移頻可能會引入失真或不自然的音色。因此，高質(zhì)量的移頻算法通常需要精心設(shè)計以保持音質(zhì)。

PART.05

指令介紹

5.1協(xié)議說明

一線串口模式可以利用MCU通過DATA1線給WT2003HX-16S/24SS/32N系列語音芯片發(fā)送數(shù)據(jù)以達(dá)到控制的目的，可以實(shí)現(xiàn)控制語音播放、停止、循環(huán)等。

5.2 通信管腳

5.3一線語音地址對應(yīng)關(guān)系

注意:如要播放該地址語音，只要發(fā)送該地址就能自動播放該地址語音，兩條地址指令時間間隔需大于4ms。

5.4一線語音及命令碼對應(yīng)表

注意：在未停止播放的情況下，如果沒有命令碼F3H，只有語音地址，就會打斷之前在播放的語音，連碼指令必須配合地址使用（例如：F3H+00H+F3H+01H）。F3H可以方便的組合不同語音，F(xiàn)3H+地址A+F3H+地址B，最大可組合10組內(nèi)容，首組指令必須為F3+地址;也可以通過判斷語音播放時的BUSY電平和播放結(jié)束時的BUSY電平的變化，完成組合播放。

5.5一線串口時序圖

芯片在DATA腳下降沿行喚醒，喚醒后需間隔100ms后才能有效接收命令；此命令帶掉電記憶。

先把數(shù)據(jù)線拉低4~20ms后,推薦5ms，發(fā)送8位數(shù)據(jù)，先發(fā)送低位，再發(fā)送高位，使用高電平和低電平比例來表示每個數(shù)據(jù)位的值。

注意：必須高電平在前，低電平在后。

推薦使用200us：600us或400us: 1200us（電平拉寬時在一定情況下有利于通信穩(wěn)定性）。取值上下限參考：40us:120us ~ 400us:1200us。注意使用3:1和1:3電平比例以保障通訊穩(wěn)定。

假如我們要發(fā)送96H，先發(fā)送低位，再發(fā)送高位，那么他對應(yīng)的時序圖，如下所示：

假如我們要讓芯片依次播放01/02/03/04地址的語音內(nèi)容。即連碼指令播放、F3+01+F3+02+F3+03+F3+04.對應(yīng)時序可以如下圖所示:

注意：因?yàn)閃T2003HX上電需要一定的初始化時間，初始化期間無法響應(yīng)指令，因此建議用戶使用連碼功能時,一組連碼地址發(fā)送之后延時2ms再發(fā)送下一組連碼地址；但是F3與地址之間的間隔還是2ms；

休眠后 芯片默認(rèn)上拉，語音播放結(jié)束 將DATA拉高。

PART.06

方案展示

符合 電動汽車低速提示音GB/T37153—2018 國家標(biāo)準(zhǔn) 要求，符合電動汽車低速行駛提示音工作的車速范圍、 聲級限值、 頻率要求、 聲音類型以及暫停開關(guān)等要求。

在模擬汽車引擎聲的場景中，移頻技術(shù)的應(yīng)用主要通過創(chuàng)造一種動態(tài)的聲音變換效果，以模仿汽車引擎在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下音調(diào)的變化。雖然傳統(tǒng)意義上的移頻技術(shù)主要應(yīng)用于音頻信號處理和助聽器等領(lǐng)域，將其概念擴(kuò)展到汽車引擎聲音模擬中，可以構(gòu)思如下方案：

1）音頻采樣與處理：

首先，采集一系列真實(shí)的汽車引擎聲音樣本，涵蓋從怠速到高轉(zhuǎn)速的全部范圍。使用音頻編輯軟件對這些樣本進(jìn)行預(yù)處理，以確保每個樣本的質(zhì)量和一致性。

2）移頻算法設(shè)計：

算法需能夠根據(jù)模擬的車速或油門位置動態(tài)調(diào)整音頻的頻率，模擬出引擎隨著轉(zhuǎn)速變化而產(chǎn)生的自然頻率變化。

3）控制系統(tǒng)集成：

將WT2003HX芯片與外部控制系統(tǒng)（如MCU）結(jié)合，MCU負(fù)責(zé)根據(jù)模擬汽車的實(shí)時狀態(tài)（如模擬車速、油門踏板位置）計算出所需播放音頻的移頻參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)發(fā)送指令給WT2003HX，選擇或動態(tài)調(diào)整播放對應(yīng)移頻處理后的引擎聲音樣本。

4）實(shí)時響應(yīng)與交互：

實(shí)現(xiàn)實(shí)時響應(yīng)，確保當(dāng)用戶操作（如加速、減速）時，引擎聲音能迅速、自然地隨之變化；提供可調(diào)節(jié)參數(shù)，允許用戶根據(jù)個人偏好或模擬場景的需要調(diào)整引擎聲音的特征，如音量、音調(diào)等。

5）音頻播放優(yōu)化：

利用WT2003HX的高質(zhì)量音頻播放能力，確保移頻處理后的引擎聲音不失真、自然流暢。優(yōu)化存儲管理，合理安排存儲空間，存儲不同狀態(tài)下的移頻處理引擎聲音樣本。

6）用戶體驗(yàn)：

關(guān)注最終用戶體驗(yàn)，通過多次調(diào)試確保模擬的引擎聲音真實(shí)、連貫，增加模擬駕駛、游戲或教育工具的沉浸感。

WT2003HX芯片通過巧妙整合外部處理單元和控制邏輯，可以設(shè)計出一套完整的解決方案，有效地在模擬汽車引擎聲的場景中應(yīng)用移頻技術(shù)，提升模擬的真實(shí)感和互動性。這要求軟硬件的緊密協(xié)作，以及對音頻處理和控制邏輯的深入理解。

審核編輯 黃宇