如何利用新數(shù)字總線架構(gòu)降低音頻系統(tǒng)成本的方案分析

汽車制造商致力于使其下一代的汽車比前代汽車更安全、更智能且更節(jié)油。為此，需要在汽車中安裝更多的ECU (電子控制單元)，這會導(dǎo)致電子系統(tǒng)的數(shù)量不斷增加、復(fù)雜度也越來越高，以便實(shí)現(xiàn)主動(dòng)噪聲消除、互聯(lián)網(wǎng)連接和車內(nèi)通信等新功能。隨著ECU數(shù)量的不斷增加，連接各種ECU所需的電纜的重量和成本也隨之增加。增加的重量會反過來降低汽車的燃油效率，這一點(diǎn)讓汽車制造商很苦惱。

汽車制造商必須在提供先進(jìn)、功能豐富的信息娛樂系統(tǒng)和符合政府發(fā)布的燃油效率標(biāo)準(zhǔn)之間取得平衡。減輕現(xiàn)有電纜的重量可大幅提高燃油效率。

現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的汽車音頻ECU一般通過單根模擬電纜或現(xiàn)有的數(shù)字總線架構(gòu)連接，這兩者都存在局限性，效率低、會產(chǎn)生不必要的費(fèi)用。使用模擬接線的汽車音頻系統(tǒng)需要專用且昂貴的屏蔽電纜，以用于各種音頻信號或通道。在如今支持多通道(5.1或7.1)Dolby或DTS解碼的高級音響系統(tǒng)中，所需電纜的數(shù)量迅速增加。而且，必要的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)不僅會增加系統(tǒng)總成本，而且還可能使某些音頻性能下降。

當(dāng)代信息娛樂系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛采用MOST或以太網(wǎng)AVB等數(shù)字總線標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)能夠大幅簡化與模擬實(shí)施方案相關(guān)的接線復(fù)雜性。然而，MOST和以太網(wǎng)AVB雖然能夠提高性能和靈活性，但會增加管理其相關(guān)軟件協(xié)議堆棧的高價(jià)格微控制器，從而增加成本。此外，這些數(shù)字總線架構(gòu)本身對節(jié)點(diǎn)之間延遲存在著不確定性。對于車廂內(nèi)主動(dòng)噪聲消除等易受延遲影響的應(yīng)用，這一點(diǎn)是不能被接受的。

汽車音頻總線簡介

汽車音頻總線 (或A2B)是ADI公司的一項(xiàng)創(chuàng)新的和為應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生的技術(shù)，事實(shí)證明，該技術(shù)最多能夠?qū)㈦娎|的重量減輕75%，而且還能提供高保真數(shù)字音頻。汽車音頻總線針對音頻應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，相比模擬音頻總線能夠提供出色的音頻質(zhì)量，而且其系統(tǒng)總成本遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的數(shù)字總線標(biāo)準(zhǔn)。最簡單的A2B是一種高帶寬(50 Mbps)數(shù)字總線，它能夠通過在非常長的距離(節(jié)點(diǎn)間的距離最長達(dá)10 m)上，使用一條無屏蔽雙絞線將I2S音頻和I2C控制數(shù)據(jù)與時(shí)鐘和功率一起傳輸。

汽車音頻總線基礎(chǔ)

從實(shí)施角度來看，A2B是一種單主機(jī)、多從機(jī)線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。AD2410是采用A2B器件系列的首款產(chǎn)品，它在一條非屏蔽雙絞線上支持最多8個(gè)從節(jié)點(diǎn)的菊花鏈，從而不需要有些競爭對手技術(shù)中要求的冗余線纜。借助這種菊花鏈能力，A2B總線距離最長可達(dá)40 m，單個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最長距離可達(dá)10 m。用直線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)代替環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是A2B技術(shù)中一個(gè)重要的元素，對整體系統(tǒng)完整性和穩(wěn)定性重要。如果A2B菊花鏈的一個(gè)連接受到影響，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不會崩潰。只有故障連接下游的節(jié)點(diǎn)會受到故障影響，而A2B技術(shù)特有的內(nèi)嵌診斷功能則能夠隔離故障的來源和起因。

與現(xiàn)有的數(shù)字總線架構(gòu)相比，A2B主從線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身更為高效。通過簡單地初始化總線后，無需更多處理器干預(yù)即可管理常規(guī)總線運(yùn)行。然而，A2B技術(shù)確實(shí)可響應(yīng)中斷信號，因?yàn)橐纛l節(jié)點(diǎn)可能會在需要維修和保養(yǎng)時(shí)發(fā)出信號。A2B的獨(dú)特架構(gòu)帶來的一個(gè)附加優(yōu)點(diǎn)是，系統(tǒng)延遲完全是可確定的(2個(gè)周期的延遲)，并且與音頻節(jié)點(diǎn)在A2B總線上的位置無關(guān)。此特性對主動(dòng)噪聲消除等新興應(yīng)用極其重要，在有源噪聲消除應(yīng)用中，必須以時(shí)序一致的方式處理多個(gè)遠(yuǎn)程傳感器產(chǎn)生的音頻樣本。

AD2410 A2B收發(fā)器可在一條非屏蔽雙絞線上傳輸音頻、控制、時(shí)鐘和功率信號。這可降低系統(tǒng)總成本，其原因如下：

與傳統(tǒng)實(shí)施方案相比，物理線纜的數(shù)量有所減少。

實(shí)際采用的電線可以是成本更低、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，對于特殊使用案例，A2B技術(shù)可提供小功率的電源，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)小功率電源，便無需在音頻ECU上使用本地電源，從而進(jìn)一步降低總系統(tǒng)成本。

A2B技術(shù)提供的50 Mbps總線帶寬總值最多可支持32個(gè)使用標(biāo)準(zhǔn)音頻采樣速率(44.1 kHz、48 kHZ)和通道寬度(12位、16位、24位)的上行和下行音頻通道。這可為多種音頻I/O設(shè)備提供相當(dāng)大的靈活性和連接性。在音頻ECU之間維持全數(shù)字音頻信號鏈可確保保證最高質(zhì)量的音頻，不會產(chǎn)生因ADC/DAC轉(zhuǎn)換造成的音頻性能下降問題。

如前所述，系統(tǒng)級診斷功能是A2B技術(shù)的一個(gè)重要元素。所有A2B節(jié)點(diǎn)都能夠識別多種故障狀況，其中包括斷路、電線短路、電線反向或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)斷路、電線短路或電線反向等故障時(shí)，故障上游的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。

使用SigmaStudio圖形設(shè)計(jì)環(huán)境(與支持ADI公司SigmaDSP和SHARC處理器系列的開發(fā)工具相同)可大幅簡化采用A2B的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。SigmaStudio能夠通過便于使用、業(yè)界領(lǐng)先的工具鏈，初始化A2B網(wǎng)絡(luò)并配置所有寄存器。SigmaStudio環(huán)境中還包含A2B總線帶寬計(jì)算器和誤碼率測試儀(BERT)。提供眾多全功能評估系統(tǒng)，可快速完成實(shí)際A2B網(wǎng)絡(luò)的原型設(shè)計(jì)，從而加快系統(tǒng)理念早期驗(yàn)證以及測試、驗(yàn)證和調(diào)試過程。

目標(biāo)市場與應(yīng)用

眾多成熟和新興市場將因A2B技術(shù)提供的高效率而受益。目標(biāo)應(yīng)用包括：

音頻ECU (車載音響主機(jī)、放大器、智能天線)連接性

用于免提、語音識別、車內(nèi)通信的麥克風(fēng)陣列

主動(dòng)噪聲消除

有源揚(yáng)聲器

寬帶ANC (WB ANC)是更加廣泛的ANC應(yīng)用領(lǐng)域的衍生產(chǎn)品，許多汽車制造商的正在評估這項(xiàng)應(yīng)用。在WB ANC中，可取消與基準(zhǔn)電壓輸入諧波相關(guān)的聲調(diào)以及部分非諧波相關(guān)或隨機(jī)的聲調(diào)。這些基準(zhǔn)電壓輸入一般通過實(shí)體分布在汽車周圍的加速度傳感器提供，加速度計(jì)最常見于四個(gè)輪轂槽中。WB ANC系統(tǒng)的其他輸入可能源自error麥克風(fēng)——也分布于汽車內(nèi)部，每個(gè)需要安靜區(qū)的乘客位置布置一個(gè)。從每個(gè)加速度計(jì)/麥克風(fēng)到WB ANC處理單元，傳統(tǒng)實(shí)施方案均使用專用模擬連接。顯然，此方法的接線成本/復(fù)雜性可能過高，處理單元上的連接器區(qū)域可能過多。所有這些問題均可通過使用A2B方案解決。

除使用ANC外，高效且高性價(jià)比的麥克風(fēng)連接性也迅速成為設(shè)計(jì)的優(yōu)先考慮因素。藍(lán)牙連接性和免提/語音識別系統(tǒng)正逐漸變成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，在某些地區(qū)緊急呼叫eCall系統(tǒng)有望成為強(qiáng)制性設(shè)備。從車廠的角度來看，趨勢是向單獨(dú)或以模塊為單位進(jìn)行配置的多麥克風(fēng)(2至4)系統(tǒng)發(fā)展。無論何種情況，采用A2B技術(shù)的系統(tǒng)的系統(tǒng)總成本遠(yuǎn)低于模擬連接產(chǎn)生的成本，在多麥克風(fēng)陣列中尤為如此。所有AD2410均支持多達(dá)四個(gè)PDM輸入麥克風(fēng)，在四個(gè)麥克風(fēng)陣列中無需傳統(tǒng)連接方式中四根麥克風(fēng)線中的三根。

在不遠(yuǎn)的將來，音頻ECU連接或許是最具吸引力的A2B技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。在音響主機(jī)連接至高級音頻功放的簡單例子中，A2B無需使用多條電線連接多通道音頻、導(dǎo)航、手機(jī)和提示音。A2B可將所有電線替換為低成本的非屏蔽雙絞線，這種通過A2B進(jìn)行的連接方式已經(jīng)過測試和驗(yàn)證，符合最嚴(yán)格的汽車EMC和EMI兼容性要求。

小結(jié)

A2B是一種數(shù)字總線架構(gòu)，能夠?yàn)榻泳€集中的音頻應(yīng)用提供一系列優(yōu)化功能，而且還能提高性能和降低系統(tǒng)成本。

A2B提供遠(yuǎn)高于模擬連接的音頻質(zhì)量，同時(shí)還能提供低成本的數(shù)字總線架構(gòu)的可擴(kuò)展性。

A2B可在許多汽車應(yīng)用中提供低風(fēng)險(xiǎn)解決方案。AD2410已量產(chǎn)，并且已通過最嚴(yán)格的汽車標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。

第一個(gè)車廠量產(chǎn)項(xiàng)目將于2016年開始。

AD2410是采用A2B器件的計(jì)劃系列中的首款產(chǎn)品，而且我們將會持續(xù)開發(fā)降低成本和提高集成度的產(chǎn)品路線圖。