汽车音响的发展重要推动力:数字信号处理器(DSP)

HiFi秀 | 2017-9-25

半导体技术是将数字媒体引入汽车的核心。随着技术的日益成熟,制造商已能改进数字汽车音响设备的性能和可用性。汽车无线电数字信号处理是一项将数字媒体渗透到车载收音机中的技术。通过在汽车娱乐系统边带和中频(IF)信号中操作,数字信号处理器 (DSP) 使汽车无线电从最初单一的音频处理器发展成为复杂的高科技信息和娱乐中心。

随着MP3音频压缩和CD技术的普及,消费者开始希望这些功能和便利性也能在其他常用设备包括汽车中实现。因此,制造商开始在汽车内引入数字媒体处理技术,使司机和乘客能数字化地获得娱乐和信息。

半导体技术是将数字媒体引入汽车的核心。随着技术的日益成熟,制造商已能改进数字汽车音响设备的性能和可用性。汽车无线电数字信号处理是一项将数字媒体渗透到车载收音机中的技术。通过在汽车娱乐系统边带和中频(IF)信号中操作,数字信号处理器 (DSP) 使汽车无线电从最初单一的音频处理器发展成为复杂的高科技信息和娱乐中心。

为什么要数字信号处理

车载收音机产业正从模拟信号处理向数字信号处理演进,因为这能帮助车载收音机制造商改进无线电性能、提高音频质量、提供更多的灵活性和更快的设计周期,以及加速上市时间、简化生产和稳定操作环境。与90年代开发的最早的汽车DSP相比,今天的汽车DSP能在单一的芯片上提供更高水平的功能。另外一个趋势显示汽车DSP发展的重要性,就是无线电信号将在更早的信号转变处理阶段被转化为数字格式。

模数转换在信号处理流中前移,从靠近输出的基带端向更接近提供射频信号的天线转移。复杂的交互模拟滤波器现已被数字信号处理电路替代。数字处理的其他优点在于能改进无线电性能和音频质量,通过DSP实现更为灵敏的控制和全部音频处理,实现不受限制的线性化表現。 采用复杂的数学算法通过相位多样性能改善无线电接收。

数字接收将日益成为一项重要的功能, 今后很可能将RF信号直接进行数字化。虽然仍将受到发射系统模拟性能的限制,但是通过在数字域进行模拟信号处理,性能质量将得到显著提高。为了改善各类环境下的性能 ,各种数字发射方案正处于开发中。数字无线电系统 能优化对发射的各种模拟信号的接收。通过在数字域执行信号处理,其性能与今天模拟接收器能达到的水平相比,将有大幅度的提高。

高清晰度(HD)无线电和卫星无线电是两种新兴的数字发射与接收系统。HD 无线电 (又称为带内同频或 IBOC) 被用于现有频谱的边带内、数字化地发射地上 AM/FM广播信息,为广播公司提供一个简单升级的数字发射方法。它同样适用于配备有 IF 汽车DSP 的无线电接收器,因为只需添加一个HD 协处理器就能轻松实现升级。卫星无线电信号由供应商在2.3GHz S频带上发射。卫星无线电广播公司能在几乎不损伤任何信号质量的前提下对全球听众进行广播。与 HD无线电类似,卫星发射能满足提供汽车定位信号等要求,从而使驾驶员能收到即时天气预报和路况信息。

另外一个重要的发展趋势是增加含软件功能的硬件模块集成度并减少硬件模块数量,更多的软件功能包含在汽车DSP中,例如飞利浦SAF7730就是一种软件无线电 DSP,它在一块芯片上 集成5个DSP核心,并通过软件实现信号处理。 最新的基于中频 (IF)的汽车DSP 能在 IF级完全实现处理,并在模块内的软件区块中完成主要任务。这些芯片集成了射频前端、放大器、MP3 和CD 应用。这样的一块芯片能在更低的原材料成本下提供高性能的无线电接收和小体积模块。 更多的软件组件能提供更大的灵活性,从而使汽车无线电供应商能在相同的基本平台上设计出不同的组合功能,以满足用户需求。这样的平台设计方法不仅改进了产品生产,也提高了可靠性。这样的芯片还将满足今后十年内对汽车音响系统拥有CD和MP3 功能的主流市场需求。

预计未来的DSP 将进一步加强集成度和实现主要的汽车音响功能。压缩音频处理和一个 32位的单片机将嵌入进支持系统和宏观控制系统中。大部分功能能在不改变硬件应用的同时,通过内部系数或不同的ROM代码进行修改。通过专注于一个平台设计,系统设计者无需再花力气 解决主要由硬件产生的质量问题。虽然仍会有因处理能力限制所产生的硬件局限,但是新的特有功能将通过ROM代码开发而轻松实现。

软件半导体 DSP

基于软件的DSP扩展了简单的解决方案,使车载收音机制造商可添加新功能及更显著的特点,比通常重新设计全部基于硬件处理的无线电IC节省时间及成本。

例如,车载收音机制造商现在要求改善多重路径性能和天线多样性。他们还面临着无数的新半导体特性和广播标准。这些都能通过使用基于软件的架构和半导体及音频软件库或IF概念轻松实现。制造商可利用新特性提高收音机的功能,提高产品的特异性并通过简单的软件升级提高收音机性能。

但是应用软件收音机需要大量的处理能力。例如,飞利浦已在其新的车载CarDSP嵌入了5个DSP,提供约650 MIPS 的能力。新的处理器带来一系列的音频改进,包括音乐改善,自适应超重低音2代,LifeVibes "PureStudio",SRS "Circle Surround II" 等。每辆汽车的声音优化可使用均衡化功能实现。单个调谐器改进提高了收音机和天线的性能,包括更好的临近频道抑制和增强的多重路径抑制,而双重调谐器提供最合理的减少多重路径效果,软件收音机运算法则可从两个调谐器控制进入的信号。

为了支持双调谐器,飞利浦提供基于IF的 DSP,如SAF7730,用以管理相位多样性和RDS背景扫描,同时实现数字收音机和音频功能。它提供高度创新的集成水平。它在同一个车载DSP中结合了模拟和数字模块(混合信号),包括模拟IF输入,数字无线电接收和音频处理,样本率转换器和数字及模拟音频输出。信号处理完全使用软件实现。高度的集成在数字IF车载DSP市场也是非常独特的,它延伸到成本效益可实现在高密度的数字IF解决方案,采用高密度、最先进的COMOS18 收缩制程实现。

软件收音机DSP提供软件解决方案的所有灵活性。在这一方面,飞利浦为用户提供一套高级音频和收音机处理的软件库,这些软件都可以嵌入SAF7730。另外,软件收音机系统提供的灵活性使用户能集成自己的软件知识产权,以获得更多的产品独特性。

飞利浦SAF7730提供自适应的超重低音2代,音乐改善,多重路径抵消和天线多样性能,这些功能带来优异的无线电接收和音质。软件收音机DSP大大改善了目前传统无线电广播的音质,并为收音机制造商带来调整收音机设计以适合未来数字收音机的空间。使用IIS式的输入/输出可以实现HD收音机应用。实际上第一个高性价比的HD收音机很快就会开始量产。
为未来做准备

下一代DSP支持车载收音机内的压缩音频,其基础结构相同,但IF输入会减少,SRC、ADC和DAC的集成会增多,一个单片机可使CD机械装置设计和系统控制能力减到最低程度。该单片机内嵌一个32位ARM7TDMI处理器,包括实现系统功能的各种外设,如无线电和音频信号处理以及压缩音频解码等外设,可以更容易完成软、硬件设计和应用开发。嵌入闪存可通过修改代码实现升级。ARM单片机将实现CarDSP的宏观控制。然而目前市场条件下,CarDSP 仍然仅仅应用于高端型号,主流车载收音机需要支持模拟的解决方案,这种DSP将瞄准主流市场汽车收音机。

鉴于目前发射系统处理模拟信号能力仍然局限着性能,随着未来IC微型化和CarDSP性能的提高,可能很快就能看到RF信号由电波的直接数字化。这将带来最终的模拟无线电信号完全在数字领域处理。DSP将继续为车载收音机提供扩展的收听范围,使用户在更宽的频段可接受到更多的电台,而不需要为了更好的接收效果而不断调整收音机。DSP将使传统的模拟AM和FM广播更清晰,音质更好,干扰更低。

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