創(chuàng)新型數(shù)字總線架構(gòu)降低音頻系統(tǒng)成本

Ken Waurin，營銷經(jīng)理，Analog Devices, Inc.

汽車制造商致力于使其下一代汽車比以前更安全、更智能且更節(jié)油。為此，需要在汽車中部署更多的ECU（電子控制單元），以實(shí)現(xiàn)智能無線電連接、路噪主動降噪(RNC)、個(gè)人音區(qū)分區(qū)(PAZ)、車內(nèi)通信(ICC)和自動駕駛等新特性和功能，這會導(dǎo)致電子系統(tǒng)的數(shù)量不斷增加，也越來越復(fù)雜路噪主動降噪。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一般通過單獨(dú)的模擬電纜或現(xiàn)有的數(shù)字總線架構(gòu)來連接，這兩者都存在局限性、低效率、及不必要的費(fèi)用等。使用模擬傳輸線的汽車音頻系統(tǒng)需要專用且昂貴的屏蔽電纜，來傳輸多通道音頻信號。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，額外的模數(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)EAVB等數(shù)字總線標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)能夠大幅簡化模擬實(shí)施方案的連接復(fù)雜性。然而，MOST和以太網(wǎng)EAVB雖然能夠提高性能和靈活性，

但需要加入高價(jià)格的微控制器來實(shí)施相關(guān)軟件協(xié)議棧，從而增加系統(tǒng)成本。此外，這些數(shù)字總線架構(gòu)本身對節(jié)點(diǎn)之間的延遲存在著不確定性。對于ANC/RNC和ICC等易受延遲影響的應(yīng)用，現(xiàn)有的數(shù)字總線架構(gòu)存在的根本缺陷是不能被接受的。

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、為應(yīng)用而生的技術(shù)。事實(shí)證明，該技術(shù)最多能夠?qū)⒄w電纜重量減輕75%，而且還能提供高保真的數(shù)字音頻。汽車音頻總線(A2B)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)。簡單來說，A2B是一種高帶寬(50 Mbps)數(shù)字總線，它能夠在非常長的距離上（節(jié)點(diǎn)間的距離最長達(dá)15 m，整個(gè)菊花鏈長度超過40 m），使用一條非屏蔽雙絞線將I2S音頻、I2C控制數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、和供電一起傳輸。

汽車音頻總線基本特性

品—AD2427W和AD2426W一起，組成了最新的增強(qiáng)型A2B收發(fā)器系列，且引腳兼容。這種最新型的產(chǎn)品支持采用單主機(jī)的菊花鏈，以及最多10個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)，與第一代A2B產(chǎn)品相比，其性能提升了20%（參見圖1）。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)15 m。用串行拓?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)定性至關(guān)重要。如果A2B菊花鏈的一個(gè)節(jié)點(diǎn)受到影響，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不會崩潰。只有故障節(jié)點(diǎn)下游的節(jié)點(diǎn)會受影響。而A2B技術(shù)特有的內(nèi)嵌診斷功能能夠判斷故障的來源和起因，發(fā)出中斷信號，并啟動保護(hù)措施。

圖1.A2B汽車音頻總線功能框圖

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。啟動簡單的總線初始化流程之后，無需更多處理器干預(yù)，總線即可常規(guī)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)延遲是確定的（2個(gè)時(shí)鐘周期的延遲），并且延遲與音頻節(jié)點(diǎn)在A2B總線上的位置無關(guān)。此特性對ANC/RNC和ICC等語音和音頻應(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。

AD2428W、AD2427W和AD2426W A2B收發(fā)器可在一條非屏蔽雙絞線上傳輸音頻、控制、時(shí)鐘和供電信號。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，對于特定的應(yīng)用場景，A2B技術(shù)可提供小功率的供電，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)小功率供電傳輸，便無需在音頻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50 Mbps總線帶寬最多可支持32個(gè)使用標(biāo)準(zhǔn)音頻采樣速率（44.1 kHz、48 kHZ）和位寬（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)字音頻信號鏈可保證最高質(zhì)量的音頻品質(zhì)，不會因ADC/DAC轉(zhuǎn)換造成音頻性能下降。

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。在所有A2B節(jié)點(diǎn)上，都能夠判斷多種故障狀況，包括開路、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?圖形化開發(fā)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通過業(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)算器和誤碼率測試器(BERT)。ADI還提供眾多的全功能評估套件，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)方案早期驗(yàn)證和測試、驗(yàn)證和調(diào)試過程。

目標(biāo)市場與應(yīng)用

眾多成熟和新興的市場應(yīng)用將因A2B技術(shù)而受益。目標(biāo)應(yīng)用包括：

音頻ECU（車載音響主機(jī)、高級音頻功放）連接

用于免提通話/語音識別/車內(nèi)通信的麥克風(fēng)陣列

主動降噪、路噪主動降噪

個(gè)人音區(qū)分區(qū)/有源揚(yáng)聲器

eCall和遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)、 自動駕駛系統(tǒng)、自動停車系統(tǒng)

生命體征監(jiān)測

智能無線電連接

音頻ECU連接是一個(gè)成熟的、具有吸引力的應(yīng)用領(lǐng)域。眾多量產(chǎn)汽車中已部署采用A2B。在音響主機(jī)連接至高級音頻功放的簡單例子中（參見圖2），A2B無需使用多條線纜來連接多通道音頻、導(dǎo)航、手機(jī)和提示音。A2B可將所有相關(guān)線纜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。

圖2.車內(nèi)的A2B汽車音頻總線示例

高效經(jīng)濟(jì)的麥克風(fēng)連接是設(shè)計(jì)中的優(yōu)先考慮因素，促成了多種使用案例和應(yīng)用。藍(lán)牙?連接性和免提/語音識別系統(tǒng)已成為標(biāo)準(zhǔn)配置，在某些地區(qū)緊急呼叫eCall系統(tǒng)已成為強(qiáng)制要求。從車廠的角度來看，趨勢是向單獨(dú)或以模塊為單位進(jìn)行裝配的多麥克風(fēng)（2至4個(gè)）系統(tǒng)發(fā)展。無論何種情況，采用A2B技術(shù)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A2B收發(fā)器均支持多達(dá)四個(gè)PDM麥克風(fēng)接入，從而在四個(gè)麥克風(fēng)陣列中，節(jié)省了傳統(tǒng)連接方式中的三根麥克風(fēng)線。

路噪主動降噪是更加廣泛的ANC應(yīng)用領(lǐng)域的衍生產(chǎn)品，許多汽車制造商正在評估這項(xiàng)應(yīng)用。在寬帶ANC中，可抵消與參考輸入諧波相關(guān)的聲音，以及部分非諧波相關(guān)或隨機(jī)的聲音。這些參考輸入一般通過實(shí)體分布在車身周邊的加速度傳感器提供，最常見于四個(gè)懸掛中。寬帶ANC系統(tǒng)的其他輸入可來自error麥克風(fēng)——也分布于汽車內(nèi)部，比如在每個(gè)需要產(chǎn)生安靜區(qū)的乘客位置布置一個(gè)。從每個(gè)加速度計(jì)/麥克風(fēng)到寬帶ANC處理單元的連接，傳統(tǒng)實(shí)施方案采用模擬連接。顯然，其接線成本、復(fù)雜性均過高，處理單元上的連接器區(qū)域也需要很大。而這些問題均可通過A2B方案解決。

對于需要經(jīng)濟(jì)高效的傳感器連接的新興應(yīng)用，A2B也可以被視為一項(xiàng)具有推動作用的技術(shù)。自動駕駛、生命體征監(jiān)測和自動停車系統(tǒng)等應(yīng)用預(yù)計(jì)于2020年開始量產(chǎn)，都能從A2B技術(shù)提供的特性、功能、便捷性和快速上市等優(yōu)勢中獲益。

總結(jié)

A2B是一種數(shù)字總線架構(gòu)，能夠?yàn)榻泳€集中的音頻和控制應(yīng)用提供一系列優(yōu)化，還能提高系統(tǒng)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、可擴(kuò)展的數(shù)字總線架構(gòu)。

A2B可在各種汽車應(yīng)用中提供低風(fēng)險(xiǎn)解決方案。

從2016年開始，基于A2B的系統(tǒng)已進(jìn)入部署階段，目前交付的系統(tǒng)數(shù)量已超過200萬套。

AD2428W以及功能精簡、低成本的衍生產(chǎn)品AD2427W和AD2426W，代表了功能增強(qiáng)型A2B收發(fā)器的最新發(fā)展即按照既定的發(fā)展規(guī)劃，致力于實(shí)現(xiàn)更高集成度和性能。

作者簡介

Ken Waurin是ADI公司的戰(zhàn)略營銷經(jīng)理，負(fù)責(zé)汽車信息娛樂系統(tǒng)相關(guān)工作。他的主要關(guān)注點(diǎn)是高級音響、主動降噪和車內(nèi)連接。聯(lián)系方式：kenneth.waurin@analog.com。