汽車內(nèi)A2B音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

【摘" 要】A²B數(shù)字音頻總線可以有效降低整車線束成本和質(zhì)量，提高傳輸效率，并且能夠很好地滿足整車電磁兼容性要求。文章首先分析汽車音頻系統(tǒng)的功能需求，其次分析A²B數(shù)字音頻架構(gòu)設(shè)計(jì)，最后探討相關(guān)音頻節(jié)點(diǎn)的選型。

【關(guān)鍵詞】A²B；音頻；系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U463.671" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）02-0037-04

Design and Research of A²B Audio System in Automobile

WU Bin

（SAIC Motor Ramp;D Innovation Headquarters，Shanghai 201804，China）

【Abstract】A²B digital audio bus can effectively reduce the cost and weight of vehicle harness，improve the transmission efficiency，and can well meet the vehicle electromagnetic compatibility requirements. This paper first analyzes the functional requirements of the car audio system，then analyzes the A²B digital audio architecture design，and finally analyzes the selection of relevant audio nodes.

【Key words】A²B；audio；system

傳統(tǒng)汽車音頻系統(tǒng)多采用模擬屏蔽雙絞線進(jìn)行傳輸，整車線束成本高、質(zhì)量大，對(duì)于整車節(jié)能不利。以寶馬為首的主機(jī)廠曾試圖引入Most總線，以解決日益增長(zhǎng)的音頻需求，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂，使其推廣受限。以太網(wǎng)傳輸音頻技術(shù)復(fù)雜，應(yīng)用不廣泛，技術(shù)成熟度不夠，暫時(shí)也不是主流。目前ADI公司研發(fā)的A²B音頻總線，只需要一對(duì)非屏蔽雙絞線，就可以替代傳統(tǒng)的模擬音頻線路，同時(shí)減少75%音頻線束的質(zhì)量。另一方案，A²B通過芯片和接口電路設(shè)計(jì)，可以很好地滿足整車電磁兼容性要求，此外A²B總線應(yīng)用廣泛，已經(jīng)逐漸成為車載數(shù)字音頻的主流方案，并將代表未來車載音頻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1" 汽車內(nèi)音頻系統(tǒng)需求分析

汽車內(nèi)音頻主要包括以下幾類音源：多媒體、通話、導(dǎo)航音、語音交互、報(bào)警音、提示音、主動(dòng)聲浪、主動(dòng)降噪等。

1）多媒體需求主要指收音機(jī)，U盤視頻和音樂，藍(lán)牙音樂，在線電臺(tái)的音樂、視頻、新聞，手機(jī)投屏應(yīng)用的多媒體類輸出。一般需要2路傳輸，以實(shí)現(xiàn)立體聲的效果。

2）通話需求主要指車載藍(lán)牙通話，緊急呼叫，即時(shí)通信（組隊(duì)，視頻通話等），手機(jī)投屏應(yīng)用的語音通話相關(guān)的音頻輸出，一路傳輸即可。

3）導(dǎo)航音包含車機(jī)端和手機(jī)投屏應(yīng)用的導(dǎo)航類音源輸出，如提示音和TTS語音信息等。語音交互主要指車機(jī)端或手機(jī)投屏應(yīng)用的語音交互類音源輸出。由于存在需要同時(shí)播報(bào)導(dǎo)航信息和語音交互信息的情況，所以導(dǎo)航和語音交互各需要一路傳輸。

4）報(bào)警音和提示音最初為一類，由儀表的小型蜂鳴器驅(qū)動(dòng)發(fā)聲。但隨著車輛功能的增多，兩者逐漸拆分開，并且由整車揚(yáng)聲器發(fā)聲。報(bào)警音是指與車輛行駛安全性相關(guān)的聲音，如轉(zhuǎn)向燈音，車輛各類零件故障的報(bào)警音，前向后向雷達(dá)報(bào)警音，高級(jí)輔助駕駛相關(guān)的4個(gè)方向的報(bào)警音等。提示音指需要反饋給用戶或需要用戶確認(rèn)的非安全類聲音，如軟、硬按鍵操作的反饋聲音，通知提醒音（日歷、短信、語音文字提醒等），娛樂系統(tǒng)本身的一些功能異常提醒（地圖導(dǎo)航、網(wǎng)絡(luò)異常等）。報(bào)警音如果要體驗(yàn)3D方位感，需要占用多路輸出，常見的是2路和4路傳輸。提示音一路傳輸即可。

5）主動(dòng)聲浪通過模擬和修飾發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)聲音，從而提升動(dòng)力性感知能力。主動(dòng)聲浪功能部署可以選娛樂主機(jī)也可以選功放，如果部署在娛樂主機(jī)端，就需要至少2路傳輸。主動(dòng)降噪是通過麥克風(fēng)和加速度傳感器采集車外噪聲，通過揚(yáng)聲器發(fā)出反向聲波抵消噪聲，從而使得車輛更安靜，其傳輸通路的多少取決于整車的降噪麥克風(fēng)和加速度計(jì)的數(shù)量。主動(dòng)降噪更常見的方式是部署在功放端，從而減少?gòu)膴蕵分鳈C(jī)到功放的通路占用數(shù)量。用于主動(dòng)降噪的麥克風(fēng)輸入，可以復(fù)用為動(dòng)態(tài)音質(zhì)補(bǔ)償功能的輸入。動(dòng)態(tài)音質(zhì)補(bǔ)償指根據(jù)麥克風(fēng)采集的外部噪聲情況，實(shí)時(shí)對(duì)音源的音量和部分頻段進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)，其目的是使音頻不受外部噪聲干擾，音量聽起來基本一致，從而給用戶帶來更好的聽音感受。主動(dòng)聲浪需要提升外部聲浪，主動(dòng)降噪需要降低外部噪聲，所以兩種技術(shù)通常只選一種。

2" 音頻系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1" 功放主控的A²B音頻架構(gòu)設(shè)計(jì)

音頻系統(tǒng)主要涉及的零件有娛樂主機(jī)、功放、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器等。根據(jù)第1章的分析，車內(nèi)音源主要有5類，分別是多媒體、通話、導(dǎo)航音和語音交互音、報(bào)警音和提示音、主動(dòng)聲浪和主動(dòng)降噪，下文簡(jiǎn)稱5類音源。

第1種功能分配方式是將5類音源的主控邏輯放在功放端，包括混音邏輯、音源和揚(yáng)聲器的增益控制等。這種架構(gòu)需要娛樂主機(jī)將5類音源傳到功放端，同時(shí)功放需要回傳多路揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)的信號(hào)作為語音降噪的參考信號(hào)，回傳的數(shù)量取決于語音識(shí)別算法要求，通常回傳4路。功放主控的音頻架構(gòu)如圖1所示。值得注意的是，同一個(gè)A²B通道內(nèi)的混音邏輯還需要前端的娛樂主機(jī)進(jìn)行處理。因?yàn)楣Ψ艧o法區(qū)分一個(gè)通道的內(nèi)容，比如由于通道數(shù)量限制，將提示音和報(bào)警音進(jìn)行混合，則功放端無法將兩者區(qū)分開，需要前端娛樂主機(jī)提前分開處理。一些控制命令如音量、平衡、音調(diào)等需要通過CAN總線進(jìn)行傳輸。圖1中的語音麥克風(fēng)、降噪麥克風(fēng)、加速度傳感器采用模擬傳輸，實(shí)際上也可以改為A²B的方式，但需要將其改為帶有A²B芯片的數(shù)字傳感器。揚(yáng)聲器輸出仍然為模擬，能輸出的通道數(shù)取決于功放的能力，功放常見的通道數(shù)是8～16路。

這種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于功放可以掌控所有音源的混音和增益控制，對(duì)于調(diào)音是有利的，最終的音效可以得到保證。娛樂主機(jī)的處理邏輯簡(jiǎn)單，不容易出錯(cuò)。劣勢(shì)在于功放內(nèi)存有限，可以存儲(chǔ)的音源數(shù)量有限，持續(xù)迭代升級(jí)和擴(kuò)展能力較弱，用戶體驗(yàn)一般。

2.2" 娛樂主機(jī)主控的A²B音頻架構(gòu)設(shè)計(jì)

第2種功能分配方式是將5類音源的主控邏輯放在娛樂主機(jī)，包括混音邏輯、音源增益控制等。功放只要負(fù)責(zé)功放驅(qū)動(dòng)通道的揚(yáng)聲器分配和揚(yáng)聲器增益控制即可。麥克風(fēng)、加速度傳感器和揚(yáng)聲器的連接方式默認(rèn)同第1種架構(gòu)?？刂菩盘?hào)同樣是通過CAN信號(hào)進(jìn)行控制。娛樂主機(jī)音頻架構(gòu)如圖2所示。

這種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于娛樂主機(jī)直接完成對(duì)5類音源的混音和增益處理，易于持續(xù)迭代升級(jí)，包括增加功能、更新音源等，用戶體驗(yàn)較好。劣勢(shì)在于調(diào)音復(fù)雜性加大。功放完全依賴娛樂主機(jī)輸出，如需保證音質(zhì)則勢(shì)必要增加娛樂主機(jī)端的調(diào)音，然后功放再進(jìn)行二次整體調(diào)音。

2.3" A²B總線節(jié)點(diǎn)排序

A²B采用菊花鏈，每個(gè)節(jié)點(diǎn)依次串行，除了主節(jié)點(diǎn)和最后一個(gè)從節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)均有2個(gè)端口，其形式見圖3。

A²B主節(jié)點(diǎn)需要配置所有從節(jié)點(diǎn)的A²B寄存器，如果某一A²B節(jié)點(diǎn)損壞，這個(gè)節(jié)點(diǎn)往后的所有A²B節(jié)點(diǎn)將與主節(jié)點(diǎn)失去通信。由于這個(gè)特性，一般主節(jié)點(diǎn)選用可靠性較高、功能較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)，通常是娛樂主機(jī)。后續(xù)的排序主要有兩種排序思路。

第1種是可靠性角度，將最重要的節(jié)點(diǎn)往前排，一般把功放放在第2位，其它傳感器類節(jié)點(diǎn)往后放，如圖4所示，代價(jià)則是線束成本增高。

第2種是成本控制角度，主要考慮線束路徑最節(jié)省的方式，如圖5所示，代價(jià)是可靠性較差。

3" A²B音頻系統(tǒng)零件選型

音頻系統(tǒng)主要包含的零件有娛樂主機(jī)、功放、麥克風(fēng)、加速度傳感器和線束等。下文主要探討相關(guān)零件的芯片選型、線束和接插件的要求。ADI提供的A²B芯片系列見表1。

3.1" 娛樂主機(jī)芯片選型

娛樂主機(jī)作為主節(jié)點(diǎn)應(yīng)該選用的芯片是AD2428，可以支持最多10個(gè)從節(jié)點(diǎn)，并且可以通過I²S/TDM傳輸控制命令。由于娛樂主機(jī)是主節(jié)點(diǎn)，實(shí)際上只要用到B口即可（圖3）。娛樂主機(jī)需要配置整個(gè)A²B鏈路的寄存器，對(duì)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行診斷，并且提供時(shí)鐘，以免音頻傳輸不同步。

3.2" 功放芯片選型

功放推薦的芯片首選是AD2428，主要考慮到功放和娛樂主機(jī)在一些音頻架構(gòu)下會(huì)使用I²S/TDM傳輸信號(hào)。對(duì)于低成本車型無需I²S/TDM，那么AD2427也可使用，如果功放在最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)也可以使用AD2426。

另外，由于A²B的帶寬是有限的，需要注意不要超出限制。通常把通道數(shù)設(shè)為上下行各16路，但是如果功放和娛樂主機(jī)采樣率不同，則需要額外的轉(zhuǎn)換，會(huì)損失一些通道數(shù)，提高傳輸速率也會(huì)影響通道數(shù)量。如果需要A²B傳輸?shù)墓δ芴?，但是通道?shù)又不夠，可以考慮兩種方法。

1）方法1：將一些音源在A²B傳輸?shù)那岸诉M(jìn)行混音，減少傳輸通道數(shù)要求。缺點(diǎn)是混在一起的通道功放端無法再單獨(dú)拆分調(diào)音。

2）方法2：額外增加一塊A²B芯片，以擴(kuò)展通道能力。雖然完善了方法1的缺點(diǎn)，但是音頻處理軟件的復(fù)雜度會(huì)相應(yīng)提升。

3.3" 麥克風(fēng)和加速度傳感器芯片選型

麥克風(fēng)和加速度傳感器是類似的，下文主要以麥克風(fēng)為例進(jìn)行分析。類似于功放，麥克風(fēng)推薦的芯片順序依然是AD2428，其次是AD2427，放在鏈路最后位置可以選用AD2426。理論上一顆A²B芯片可以接4個(gè)麥克風(fēng)。如果是數(shù)字麥克風(fēng)，可以直接接到A²B芯片；如果是模擬麥克風(fēng)，需要通過AD轉(zhuǎn)換后再接到A²B芯片上。A²B芯片可以部署在一個(gè)麥克風(fēng)上，也可以額外增加一個(gè)麥克風(fēng)采集盒子。

1）部署在一個(gè)麥克風(fēng)上：后排的麥克風(fēng)連接到前排的麥克風(fēng)線束會(huì)比較長(zhǎng)，要考慮EMC問題。另外，主麥會(huì)變得比較大，不利于布置，但相較增加盒子是省成本的方案。

2）增加盒子：盒子本身可以靈活布置，不受麥克風(fēng)拾音位置限制，弊端則是成本上升。麥克風(fēng)供電可以從A²B總線獲取，然而麥克風(fēng)數(shù)量不宜過多。如果麥克風(fēng)數(shù)量過多，應(yīng)采用獨(dú)立供電，一般A²B鏈路最大供電能力約200mA。

3.4" 線束和連接器選型

A²B傳輸數(shù)據(jù)的速率為50Mb/s，采用的是非屏蔽雙絞線。A²B總線對(duì)于線束的要求類似于以太網(wǎng)線束的要求，具體要求見表2。

A²B總線對(duì)于線束未絞線的距離有一定要求，圖6中的U₁、U₂、U₃、U₄、U₅、U₆為雙絞線未絞線部分，建議每段未絞線距離＜10mm。I₁和I₂為內(nèi)聯(lián)接插件的長(zhǎng)度。線束要求2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間最多允許2個(gè)內(nèi)聯(lián)接插件，并且未絞線部分總長(zhǎng)度不超過60mm，即U₁+U₂+U₃+U₄+U₅+U₆≤60mm。

連接器選型需要符合SAE-J3117標(biāo)準(zhǔn)和Open Alliance通信通道2.0規(guī)范，推薦選用Rosenberger MTD及類似連接器。A²B接插件的要求見圖7。對(duì)于4腳連接器，要求連接器尺寸Xgt;Y。對(duì)于單排的多PIN腳連接器，A²B信號(hào)對(duì)之間的引腳建議板內(nèi)搭鐵，接相同阻抗的靜態(tài)信號(hào)或者懸空。

雖然專用連接器能夠更好地提升EMC性能，但在實(shí)際應(yīng)用中也常采用多引腳、多信號(hào)的連接器，此時(shí)應(yīng)注意盡量減少串?dāng)_，需要考慮以下情況。第一，避免在附近放置任何高頻信號(hào)，如以太網(wǎng)總線、CAN總線等。遠(yuǎn)離其它噪聲信號(hào)，僅放置靜態(tài)信號(hào)，如GND、低頻控制信號(hào)。第二，將A²B總線放置在同一行上，以避免任何引腳長(zhǎng)度不匹配，從而產(chǎn)生阻抗不匹配問題。除此之外，還有一些情況需要考慮。A²B總線周圍應(yīng)該避免金屬片，也不應(yīng)該靠近天線、天線電纜（尤其是AM、FM）或任何EMC敏感區(qū)域。A²B電纜可以與任何其它低頻電纜捆綁在一起，例如電源、GND電纜、CAN電纜、UART電纜等。需避免不必要的彎曲和壓縮導(dǎo)體。導(dǎo)體直徑變化以及有效介電常數(shù)變化都會(huì)影響電纜特性。線束和連接器的選型符合規(guī)范有助于A²B總線通過EMC測(cè)試，如果不是成本壓力很大，應(yīng)該考慮滿足上述所有要求。

4" 總結(jié)

本文旨在分析探討整車中的數(shù)字音頻系統(tǒng)架構(gòu)。首先分析車內(nèi)不同類型的音頻需求，包括多媒體、通話、導(dǎo)航、語音交互、報(bào)警音、提示音、主動(dòng)聲浪和主動(dòng)降噪等。其次提出了2種常見的音頻系統(tǒng)架構(gòu)，2種架構(gòu)的主要區(qū)別在于混音邏輯是放在功放還是娛樂主機(jī)。然后對(duì)A²B節(jié)點(diǎn)的排序做了一定的分析，分為可靠性排序和經(jīng)濟(jì)性排序2種。最后對(duì)A²B音頻系統(tǒng)的核心零件選型做了分析，包括娛樂主機(jī)、功放、麥克風(fēng)、加速度傳感器、線束和連接器。希望上述分析能對(duì)整車數(shù)字音頻系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定指導(dǎo)作用。

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（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2023-08-13

作者簡(jiǎn)介

吳斌（1987—），男，碩士，工程師，主要從事智能座艙研究工作。