市場和應用概況

 

在汽車座艙電子市場，隨著汽車制造商努力實現車輛差異化以區別于競爭對手，一個越來越明顯的趨勢是音頻、語音和聲學相關應用正在迅速擴張。此外，隨著普通消費者對技術越來越了解，其對駕駛體驗和個人與車輛交互水平的期望也在大幅提高。家庭影院質量的音響系統已成為所有價位車輛的尋常配置，現在還出現了復雜的語音免提(HF)和車內通信(ICC)系統。另外，傳統上僅部署于頂級高端車輛中的主動降噪和路噪降噪(ANC/RNC)系統，現在也進入了一般人負擔得起的主流市場。展望未來，基于音頻或聲學的技術將成為L4/L5級自動駕駛車輛發動機控制單元(ECU)的關鍵組成部分，因為ECU需要檢測是否存在應急車輛。

 

所有這些傳統和新興應用的共同點是依賴于高性能聲學檢測技術，例如麥克風和加速度計。幾乎所有新興應用都需要多個聲學傳感器（如麥克風或麥克風陣列）來實現最佳系統級性能，因此需要一種簡單但經濟高效的互連技術來確保系統總成本最小化。長久以來，缺乏麥克風優化的互連技術一直是汽車制造商的一大痛點，每個麥克風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用的廣泛采用，或者至少是將其限制在高端市場。數字麥克風和連接技術的最新進展有望推動變革性應用在新世代車輛信息娛樂系統中迅速得到采用。A2B技術將大有可為。

 

傳統模擬麥克風的實現和局限

 

大多數國家和地區都禁止開車時使用手持電話，支持Bluetooth^®的免提裝置已成為幾乎所有車輛的標配設備。市場上有各種各樣的免提解決方案——從簡單的包含揚聲器和麥克風的獨立單元，到完全集成在車輛信息娛樂系統中的高級解決方案。直到最近，大多數免提系統是以非常相似的方式實現的。此類系統僅包含一個（少數有兩個）麥克風，相關的麥克風技術是50年前的駐極體電容麥克風(ECM)類型。所傳輸音頻的語音質量常常不能令人滿意，尤其是簡單的獨立單元，麥克風與講話者嘴巴之間的距離可能相當大。如果將麥克風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，那么前排兩個座位都需要有麥克風。

 

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

 

ECM的少數優點之一是其內置聲學指向性，通常將其調整為超心型極性圖（MEMS麥克風也可以做成指向的，但通常需要更復雜的聲學設計）。通常可以實現10 dB或更多的后向衰減，"后向"是指朝向擋風玻璃的方向，從其中只會產生噪聲（即沒有期望的信號，例如講話者的語音）。在期望信號的進入方向上具有更高靈敏度非常有利于提高SNR。然而，定向ECM單元會引入不必要的副作用，例如高通特性——靈敏度在較低頻率時會降低。這種高通響應的3 dB截止頻率通常在300 Hz至350 Hz范圍內。在HF技術的早期，這種高通特性是一個優勢，因為發動機噪聲主要以較低頻率存在，發動機聲音本身會經過麥克風衰減。然而，自從寬帶或HD通話出現以來，這種高通特性開始成為一個問題。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，而如果麥克風本身能提供更好的音頻帶寬，則不需要放大此范圍內的信號。ECM技術的另一個缺點是不同器件的靈敏度和頻率響應差異很大。ECM的制造公差相對較大，這對于單個麥克風應用可能不是問題。但是，如果在間距較小的麥克風陣列應用中部署多個麥克風信號，則麥克風之間的嚴格匹配對于實現最佳陣列性能至關重要。在這種情況下，ECM難以使用。此外，從物理尺寸角度看，傳統ECM單元一般不適合于小型麥克風陣列。

 

麥克風陣列具有廣泛的適用性，包括在車內，因為與傳統ECM相比，陣列能提供類似（常常更優越）的定向性能。關于聲音沖擊方向的空間信息，可以使用陣列中分組的兩個或更多個合適的麥克風來從麥克風信號中提取。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的類比，利用簡單的純線性濾波器和求和算法可以將天線陣列發射的無線電"波束"聚焦在某個方向上。雖然麥克風陣列中沒有這樣的波束，但波束成型這一術語在麥克風信號處理領域也很常見，相比于簡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，支持實現更高的性能和更大的靈活性。

 

除了波束成型處理之外，原始麥克風信號幾乎總是需要后處理，因為每個HF麥克風都會同時捕獲期望的語音信號和環境（若座艙）中的干擾。風噪、路噪和發動機噪聲會降低SNR，通過揚聲器播放的信號——通常稱為揚聲器回波——也是不需要的信號源。為了減少這種干擾并改善語音質量，需要采用復雜的數字信號處理技術，常常稱之為回聲消除和降噪(AEC/NR)。AEC從麥克風中消除揚聲器聲音，否則它會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提高所傳輸信號的SNR。雖然國際電信聯盟(ITU)發布了詳細規范（例如ITU-T P.1100和P.1110）來定義HF系統的許多性能細節，但在行駛車輛中通話時，如果AEC/NR處理達不到標準，人們對通信質量的主觀印象可能不會滿意。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用，所有這些應用都與某種程度的數字音頻信號處理相關。為了支持這些應用，需要新一代消除了傳統ECM缺點的麥克風技術。

 

數字MEMS麥克風的技術和性能優勢

 

微機電系統(MEMS)技術迅速成為麥克風的新行業標準，因為相比傳統ECM，它提供了許多優勢。首先，MEMS使得聲音傳感器比現有ECM單元要小得多。此外，將MEMS傳感器與模數轉換器(ADC)集成在單個IC中所得到的數字麥克風，能夠提供可立即進行AEC/NR/BF處理的信號。

 

模擬接口MEMS麥克風也存在，但其具有與模擬ECM相同的許多缺點，而且若使用傳統雙線模擬接口工作，甚至需要比ECM更復雜的放大器電路。只有采用全數字接口技術，才能顯著減輕模擬線路固有的干擾和SNR問題。此外，從生產角度看，MEMS也占選，因為MEMS麥克風的生產規格偏差比ECM單元要小得多，這對于BF算法很重要。最后，MEMS IC麥克風的制造工藝大大簡化，因為可以采用自動化安裝技術，整體生產成本得以降低。從應用角度看，更小的尺寸是最大的優勢，并且由于聲音入口非常小，MEMS麥克風陣列實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計和生產質量方面特別小心。如果聲學密封不牢，來自內部結構的噪聲可能到達傳感器，兩個傳感器之間的泄漏可能降低BF算法的性能。與可以設計和制造成全向或定向的典型ECM單元不同，MEMS麥克風元件幾乎總是制造成全向式（即聲音接收沒有內在方向性）。因此，MEMS麥克風是忠實于相位的全向聲壓傳感器，為高級BF算法提供理想的信號，衰減方向和波束寬度可以由用戶通過軟件進行配置。

 

一般來說，將所有信號處理模塊組織在一個集成算法套件中非常重要。如果功能模塊彼此孤立地實現，處理延遲將會不必要地增加，整體系統性能會下降。例如，BF算法始終應與AEC一同實現，最好由同一提供商實現。如果BF算法在信號中引入任何非線性效應，則AEC肯定會產生令人不滿意的結果。數字信號處理的理想結果最好通過一個集成算法包來實現，該算法包接收未降級的麥克風信號。

 

下面詳細比較了標準線性BF和ADI專有算法，以便大家充分了解高級BF算法的性能潛力。圖1中的曲線顯示了三種不同BF算法在波束內和波束外方向的極性特征和頻率響應。基于雙麥克風陣列的標準線性超心型算法用作基準（黑色曲線）。基準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。由此產生的后瓣是線性算法中與波束寬度權衡的結果。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現，紅色曲線顯示了該類的ADI專有雙麥克風算法（麥克風間距：20 mm）。

 

圖1.不同BF算法的極性衰減特征。 

 

陣列中有兩個全向麥克風，因此波束形狀總是存在旋轉對稱性。換句話說，極性圖中X°的衰減與360°- x°的衰減相同。這假設極性圖的0°至180°線等同于連接兩個麥克風的想象線。三維波束形狀可以通過繞該麥克風軸旋轉二維極性曲線來想象。無旋轉對稱性的不對稱波束形狀或更窄波束需要至少三個麥克風以三角形布置。例如，在典型的頭頂控制臺安裝中，雙麥克風陣列可以衰減來自擋風玻璃的聲音。然而，當如此定向時，雙麥克風陣列無法區分駕駛員與乘客。將陣列旋轉90°可以區分駕駛員與乘客，但擋風玻璃產生的噪聲與座艙內的聲音將會無法區分。只有使用三個或更多個配置成陣列的全向麥克風，才能衰減擋風玻璃噪聲并區分駕駛員和乘客。圖1中的綠色曲線顯示了相應的ADI專有三麥克風算法的示例性極性特征，其中麥克風以等邊三角形布置，間距為20 mm。

 

極性圖利用從不同角度到達麥克風陣列的帶限白色噪聲計算。音頻帶寬限制為100 Hz至7000 Hz，這是先進蜂窩電話網絡的寬帶（或高清語音）帶寬。圖2比較了不同算法類型的頻率響應曲線。在波束內方向上，所有算法的頻率響應在期望音頻帶寬內都是平坦的，符合預期。波束外頻率響應針對波束外半空間（90°至270°）進行計算，確認在寬頻范圍內波束外衰減很高。

 

圖2.不同BF算法的波束內（虛線）和波束外（粗線）頻率響應。

 

陣列麥克風間距和音頻帶寬與采樣速率之間的關系值得進一步討論。寬帶高清語音使用16 kHz的采樣速率，這是語音傳輸的良好選擇。當前16 kHz寬帶采樣速率與早前窄帶系統所使用的8 kHz采樣速率相比，在語音質量和語音清晰度方面差異巨大。由于語音識別提供商的推動，對更高采樣速率（如24 kHz或32 kHz）的需求不斷增長。語音頻段應用可能要求高達48 kHz的采樣速率，這通常是主系統音頻采樣速率。底層動機是避免在內部進行采樣速率轉換。然而，支持這些高采樣速率所需的額外計算資源與其產生的實際效果并不相稱，因此現在廣泛接受16 kHz或24 kHz作為大多數語音頻段應用的推薦采樣速率。

 

對于波束成型應用，高采樣速率是有問題的，因為在頻率等于聲速除以麥克風間距兩倍的地方會發生空間混疊。在這種混疊頻率無法進行波束成型，因此不希望發生空間混疊。如果將麥克風間距限制在21 mm或更小，則可以避免寬帶系統（16 kHz采樣速率）中發生空間混疊。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，麥克風間距過小也不行，因為麥克風容差，特別是麥克風傳感器的內在（非聲學）噪聲會成為問題。如果間距很小，一個陣列的麥克風之間的干擾（如內在噪聲）和靈敏度偏差可能會壓倒麥克風之間的信號差異，導致信號差異變得微不足道。在實踐中，麥克風間距不應小于10 mm。

 

A²B 技術概述

 

A²B技術專門用來簡化新興汽車麥克風和傳感器密集型應用的連接挑戰。從實現角度看，A²B是單個主器件、多個子節點（最多10個）的串行拓撲結構。目前全面量產的第三代A²B收發器系列有五個成員，全部都提供汽車、工業和消費電子溫度范圍。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——構成ADI公司最新的引腳兼容增強型A²B收發器系列。

 

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

 

表1.A²B收發器特性比較

 

AD242x 系列支持通過菊花鏈將單個主器件和最多10個子節點連接起來，總線總距離可達40米，各節點之間距離最長可達15米。相比于現有環形/并行拓撲結構，A²B的菊花鏈拓撲結構是一個重要優勢，對整體系統的完整性和魯棒性很有利。如果A²B菊花鏈的一個連接受到影響，整個網絡不會崩潰。只有故障連接下游的節點會受影響。A²B的嵌入式診斷可以確定故障的起因，發出中斷信號，并啟動糾正措施。

 

與現有數字總線架構相比，A²B的主器件-從節點拓撲結構本身更為高效。啟動簡單的總線初始化流程之后，無需更多處理器干預，總線即可正常運行。A²B的獨特架構帶來的一個附加優點是，系統延遲是完全確定的（小于50 µs），并且延遲與音頻節點在A²B總線上的位置無關。此特性對ANC/RNC和ICC等語音和音頻應用極其重要，在這些應用中，必須以時序一致的方式處理多個遠程傳感器的音頻樣本。

 

所有A2B收發器都能在一條非屏蔽雙絞線上傳輸音頻、控制、時鐘和供電信號。這可降低系統總成本，原因如下。

 

●    與傳統實施方案相比，減少了物理線纜的數量。

●    實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，對于特定的應用場景，A²B技術可提供總線供電能力，將不超過300 mA的電流傳輸至A²B菊花鏈上的音頻節點。有了這個總線供電能力，便無需在音頻ECU上使用本地電源，從而進一步降低系統成本。

 

A²B技術提供的總計50 Mbps總線帶寬最多可支持使用標準音頻采樣速率（44.1 kHz、48 kHz等）和位寬（16、24位）的至多51個上行和下行音頻通道。這可為廣泛的音頻I/O設備提供相當大的靈活性和連接能力。在音頻ECU之間維持全數字音頻信號鏈可保證最高質量的音頻品質，不會因ADC/DAC轉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。從系統完整性角度看，該功能非常重要，因為在出現開路、電線短路或電線反接等故障時，故障點上游的A²B節點仍然能夠正常工作。診斷功能還提供高效隔離系統級故障的能力，從汽車經銷商/安裝人員的角度來看，這一點至關重要。

 

最近宣布的第四代A²B收發器AD243x是在現有技術基礎上的發展，提高了關鍵功能參數（節點數增加到17，總線供電功率增加到50 W），同時添加了額外的SPI控制通道(10 Mbps)，為智能A2B節點的遠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用，如超高級麥克風架構中裝有LED的麥克風節點。

 

A²B麥克風和傳感器在汽車行業中的應用

 

從單個語音麥克風到用于HF通信的多元件BF麥克風陣列，從ANC到RNC，從ICC到警報聲檢測，麥克風在汽車行業中的應用越來越多。依照技術和市場趨勢，如今上路行駛的幾乎每輛新車都配備了至少一個用于HF通信的麥克風模塊。高級和豪華車可能有六個或更多麥克風模塊，這是實現BF、AEC、ANC、RNC、ICC等的全部潛能所必需的，數字MEMS麥克風在這些應用中具有明顯的優勢。

 

越來越多的麥克風給車輛信息娛樂系統工程師提出了一個重大挑戰——如何簡化連接線束并使其重量最輕。對于傳統模擬系統而言，這不是簡單的任務。模擬麥克風至少需要一對雙屏蔽線（接地和信號/電源）、引腳及連接器腔用于互連。電線量始終是系統中麥克風模塊數量的兩倍。同時，連接每個麥克風模塊所需的線材長度會導致線束總重量增加得更快。緩解此問題的一種簡單方法是在多個應用之間共享麥克風信號，從而減少系統中使用的麥克風數量。例如，同一麥克風信號既可用于HF通信，也可以用作ANC系統中的Error輸入。但是，不同應用可能需要不同的麥克風特性。在前面提到的例子中，HF麥克風信號常常更希望具有上升頻率響應形狀（即靈敏度隨著頻率的降低而降低），以消除座艙內的低頻噪聲內容。這是一種有用且非常有效的技術，可以提高語音麥克風傳遞的語音清晰度。相反，ANC麥克風在低頻時需要足夠高的靈敏度水平，因為ANC算法的主要目的是降低低頻噪聲。因此，為了讓一個模擬系統中的兩個應用共享同一麥克風，需要將來自麥克風的信號饋送到不同電路中以進行適當的頻率濾波。這種情況下可能形成一個或多個接地環路，從而可能造成嚴重的噪聲問題。

 

作為一種具有菊花鏈連接能力的數字總線，A²B技術與數字MEMS麥克風一起提供一種多麥克風信號互連和/或共享解決方案，非常適合滿足車輛中迅速擴張的音頻、語音、噪聲消除和其他聲學應用的需求。考慮一種虛構但有示范意義的情況：某個汽車應用需要一個HF麥克風模塊、一個ANC麥克風模塊和由兩個用于BF的麥克風元件組成的簡單陣列麥克風模塊，所有三個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模擬系統和數字A²B系統來實現這種設計。

 

圖3.(a) 采用模擬麥克風元件的模擬系統設計（屏蔽線）。(b) 采用數字麥克風元件的數字系統設計（A²B技術和UTP線）。

 

由于模擬系統不能輕松支持麥克風共享，因此每個應用模塊（HF、ANC和BF）需要專用麥克風和單獨的線束來連接相應的功能電路。這導致需要四個單獨的麥克風元件和三組線束（總共七根線加屏蔽）。另一方面，數字A²B系統則能輕松支持共享信號，所以麥克風元件的數量可以從四個減少到兩個。在這個具體例子中，由兩個寬帶全向麥克風元件組成的單個麥克風模組可用來提供兩個聲學信號通道，滿足所有應用模塊的需求。一旦這兩個通道的信號通過簡單的UTP線到達中央處理單元（例如音響主機或獨立功放），就可以共享并進行數字處理以支持HF、ANC和BF應用。

 

雖然圖3所示的例子可能不代表實際情況，但它清楚展示了A²B技術相對于傳統模擬技術的優勢。A²B技術等數字音頻總線系統解決了汽車制造商的挑戰，使它們可以提出新的音頻和聲學相關概念來增強用戶體驗，并支持將這些概念更快推向市場。

 

實際上，A²B技術的商業化已經使得汽車市場的許多應用成為可能，其中既有新應用，也有以前難以實現的應用。例如，汽車音頻解決方案的領先提供商Harman International開發了一系列數字麥克風和傳感器模塊，其利用A²B系統來賦能各種汽車應用。圖4顯示了一些常見的汽車A²B麥克風和傳感器以及它們如何用于汽車上。這些傳感器包括：單個A²B麥克風，用于ANC和語音通信的多元件麥克風陣列，用于RNC的A²B加速度計，外部安裝的保險杠A²B麥克風，以及用于緊急警報檢測和聲學環境監測的車頂A²B麥克風陣列。在這些A²B麥克風和加速度計的賦能下，越來越多需要多傳感器輸入的應用解決方案正在開發當中，以進一步增強汽車行業的用戶體驗。

 

總結

 

未來的車輛架構將越來越依賴于麥克風和加速度計之類的高性能聲學檢測技術。包括傳感器、互連和處理器的完全數字化方法可帶來重要的性能和系統成本優勢。ADI公司正與Harman International合作提供經濟高效的解決方案，以為最終客戶創造價值并實現差異化。

 

圖4.常見A²B麥克風和傳感器。

 

 

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