Cadence创新技术分享！DSP助力高效汽车噪声主动控制系统

* 本文特别刊载在EDNChina《电子技术设计》2017年2月刊

* ‍作者：Rolf Schirmacher & Gerard Andrews, Cadence公司

节能技术虽然推动了环保汽车的发展，却也造成驾驶室噪音问题的加剧。为降低噪音，汽车工程师利用车载音频系统实现ANC主动降噪控制。ASD）技术，生成独特的引擎声音以达到降噪效果。本文旨在探讨如何应用专属音频DSP助力ANC 和ASD 系统减少延迟、提高性能并降低成本。‍

简介

特定驾驶条件下，弃用减振材料并利用更少的气缸实现更高引擎效率，都是打造节能汽车的重要手段。然而，这项节能技术却无法最大程度减少驾驶室内的噪声。举个例子，缸径小的发动机转速（RPM）也较低，低频率运转会产生更大的噪声。为此，汽车工程师求助于ANC 技术以期实现主动降噪。‍

ANC 技术基于相干声学原理，旨在精确复原所有噪声来源在任意时间的原始声场，包括实时及反相噪音。ANC系统接入车载音响与麦克风，通过无线电或音响系统中使用信号处理，以产生与反相位噪音，抵消发动机噪声，实现主动降噪。在音频子系统中搭载小型DSP 非常有效，主处理器也可以更专注于计算密集型任务。

图1 展示了典型的客车主动降噪系统设计原理。发动机噪声频率范围通常在30~250Hz 之间，扬声器系统应生成相同频率的反相位噪声以抵消噪音。ANC 技术还可以用于混合动力汽车，减少当电池充电而产生的噪音。

图1：典型的客车主动降噪系统

如今，众多主流车型将主动声学技术与车载信息娱乐系统集成来影响汽车的声效，也就是我们通常所称的ASD。拿宝马M5 举例，该车型支持数字信号处理，与引擎管理器进行数据交换，根据转速、扭矩、汽车行驶速度等信息生成不同的引擎运行声音。如果驾驶员切换至Sport 或Sport+ 模式，引擎灵敏度增强，驾驶室内的声音体验变得尖锐。（注解1）

图2 展示了一些实际应用案例。越来越多的车载信息娱乐系统选用高度集成的系统级芯片（SoC），高性能标准CPU 与软件基础设施以支持 ASD 技术。  

图2 不同主动音响设计环境的分贝水平‍

信息娱乐系统之前世今生

如果现代信息娱乐系统搭载具有多个（通常是无线）接口的通讯集线器，即可实现高度集成，功能也会更加丰富。显而易见，实现这一目标并不简单，因为封装尺寸以及功耗都有很大的局限性，还必须满足散热需求。从设计角度来看，信息娱乐系统通常需要搭载强大的标准多核处理器，操作系统和中间件也都要足够开放以支持不同平台。很多系统设计师选择使用跨功能SoC，例如，这样的SoC可以支持车载无线电调谐器和音频功能。‍

利用专属DSP 实现主动降噪‍

主动降噪技术对延迟有要求，因此并不适用于主流音频框架。所以，为信息娱乐系统开发SoC 时，必须考虑主动降噪技术对音频信号的独特需求：

• 高带宽，48kHz 采样频率

• 高动态范围，≥24 bit

• 多通路（≥20个音频输入通路，20个目标输出通路）

• 源汇不同步，时钟域不同

• 复杂的信号处理和模块处理

• 不支持中断和同步功能。免提语音控制和缓冲等应用需要低延迟环境。

回顾第一代主动音响系统，汽车设计师在车辆上增加了一个额外的控制单元，利用 DSP 进行功率放大器和扬声器音频信号控制，以营造车载麦克风与扬声器系统所需的低延迟环境。新一代系统中，设计师将主动降噪技术集成到基于DSP  的强大功放。然而，这一方案十分昂贵，不适用于经济型汽车。

在如今的经济型汽车中，功放通常集成于音响主机中的无线电组件。音响主机则在大型嵌入式CPU 或多CPU 平台运行，并为导航、信息娱乐和智能手机应用提供支持。此方案可以保证所需的计算能力，但无法实现低延迟环境。这一冲突通常由OS-Linux 操作系统造成，OS-Linux 在任务切换时仅能实现100 毫秒延迟，远无法满足ANC 的最低要求。

为满足音频组件的低延迟和成本需求，分流主处理器负载，并将小型专用DSP 集成到SoC 以实现主动降噪是个不错的选择。这样一来，主处理器可以专注于运行计算密集型任务；DSP 则可收集车辆、麦克风和扬声器的数据，并为这些应用执行功能软件。

Cadence 的Tensilica HiFi DSP 支持超过160 种音频、声音、语音识别以及音频和语音增强软件包，该 IP 支持所有SoC 设计。DSP 提供充足的计算资源以支持其他音频处理算法，包括声学回声消除、波束形成和声场扩展。

总结‍

利用ANC 和ASD 等音频技术，汽车制造商可以最大限度的降低引擎噪音，并创造出独特的发动机声效。搭载支持ANC 和ASD 算法的小型低功耗专属DSP，主处理器工作负载可以有效分流，满足车辆对系统性能、能耗和成本的需求。

参考文献‍

1．Boeriu, Horatiu.《主动声响设计为M5 驾驶室实现降噪》，BMWBlog。‍

—Rolf Schirmacher拥有哥廷根大学的物理学博士学位，研究方向是主动噪声控制。2002 年，他的研究获得德国声学学会颁发的Lothar-Cremer 奖项。‍

—Gerard Andrews是Cadence IP事业部的音频／语音IP产品营销总监，持有乔治亚理工学院的电机工程学硕士学位。