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混合信号IC让您在路途中享受家庭音响的美妙体验

上网日期: 2006年04月10日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:Mixed-signal? home audio? digital home media? DVD?

随着数字家庭媒体如DVD和MP3市场的巨大增长,消费者已经惯常于在多媒体家庭娱乐中享受诸如环绕声之类的高端音响品质和功能。越来越多的消费者期望在他们的汽车中也能获得相同的体验。

一直寻求竞争强势的汽车制造商已经对此做法了响应,他们将新的娱乐技术、导航及能与驾驶员“对话”的管理系统一起融合到了车辆之中。所有这些车载信息娱乐系统让汽车设计工程师面临挑战,因为他们要在有限的车厢空间中集成宽广的(信息)源并产生高品质的音响。

回忆过去

一直以来,大多数汽车配备的都是相对简单的音响系统,包括车头控制单元--通常在仪表盘中--连接到模拟收音机、一台CD机和四只分布式喇叭。不久前,顶级系统中磁碟播放机和双喇叭已经成为标准的配置。

现在,汽车音响环境已经充满了复杂的模拟和数字设备,包括CD、DVD、卫星导航、模拟或数字收音机、卫星收音机、MP3播放器、耳机、环绕声喇叭、免提电话等,而所有这些必须被集成到车头内。

此外,高端系统不再仅限于豪华车或作为增值包销售。它们已经成为标准的配置,或至少是中等或低价车的标准选项。制造商利用音响技术实现差异化,例如,将MP与收音机安装在小型车中可以满足年轻驾驶员的需求。

音响品质引人瞩目

下图所示为当今典型的导航和娱乐系统设备的布局图。为了让系统获得期望的声效,设计工程师必须考虑车内有限空间和高度不规则的表面,还要考虑路面噪声的可能影响及多种音响设备同时工作的影响。

典型的汽车目前都配置了复杂的、互连在一起的系统,包括:远程信息娱乐系统;环绕声音响;影视屏幕;耳机;游戏控制台和多碟DVD。

一辆汽车就是嵌入式多媒体设备的昂贵集成,音响系统的品质反映了汽车的整体感知品质。没有一家汽车制造商愿意尝试因音响效果极差而导致的招回。

针对不太理想的听觉环境的音响品质补偿要非常好,这样系统组件才能在不断变化的噪声、振动和温度条件下表现出卓越的性能。

混合信号单芯片提高性能

车内音源目前提供一系列模拟和数字信号,所有信号必须经过正确处理和路由。随着廉价和数据存储设备的增多,对数字信号处理器、模拟和混合信号元件如ADC、DAC及编解码器的匹配能力的要求提高了。混合信号元件必须能编码和解码日益增长的音频格式,包括MP3、AC3、AAC及WMA等等。

在设计满足能这些要求的音响系统中,设计工程师通过从DSP分离出来的混合信号处理电路,获得了截然不同的优势体验。制造和设计过程惯于制成包含上百万复杂计算能力的数字芯片,并让芯片的几何尺寸尽可能地小(目前等于或小于90nm)。模拟器件--相比之下--需要较大的几何尺寸以满足散热及热和性能的平衡需求,从而使设计人员能够设计出优良的音响品质,但是,对于数字处理来说,难免显得过大和过于昂贵。尝试将数字和模拟电路设计在同一电路之中,对设计工程师来说,不仅毫无益处,而且还让复杂设计面临大量风险。

最佳的办法是将ADC、DAC及诸如音量控制和滤波之类的模拟处理电路放置在一块混合信号IC之中。这样就可以较好地控制电子噪声并采用熟悉的尺度如带宽、信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)来评定系统。本文描述的就是实现该推荐架构的音响系统。

在本例中,通用音响系统的许多混合信号功能,包括ADC、DAC和数字接口可以被组合到单颗高性能编解码器(CODEC)以优化互连品质及电路板空间的使用。

随着汽车出厂预装音响组件的增加,需要在车头系统中集成多通道CODEC以执行复杂的混合信号转换、路由和发送任务。例如,完成此任务的一款芯片就是Wolfson公司的WM8770。它是一款24位立体声CODEC,采用sigma delta过采样实现高性能、音响转换和智能系统及路由。此处的智能指的是单片IC处理多音源过程的方式。

这款高性能的CODEC组件包括8通道立体声输入选择器,它与一个立体声24位sigma delta ADC配合使用,4立体声24位DAC采用了过采样数字插值滤波。

上述方块图左边有一个8选1信源选择器,它是一个采集汽车CD播放机、DVD播放机、卫星导航系统、车内电话或其它设备模拟信号的乘法器并将这些模拟信号路由到双通道ADC。注意,音响输入是立体声(AIN L和R)。如果蜂窝电话被连接到第一个音响输入(AIN1)而CD播放器连接到第二个音响输入(AIN2),而一个正在听CD的乘客开始用电话,那么,输入信源选择器将自动在信源之间切换以接听电话信号。有四种数据输入(DIN1 – 4, 在顶部)。DIN1可以令人信服地将来自CD播放机的经转换和处理的信号路由到DAC1,然后被转换回模拟信号并发送到一组喇叭中。与此同时,DIN2可以承载一个通道的DVD播放,让汽车后座上的乘客可以用后座扶手中的立体声耳机收听。

对于设计工程师来说,该级别性能的多通道CODEC的好处很多,一颗芯片实现信号转换、路由、音量控制、驱动麦可风和耳机,而与此同时,占用很少的电路板空间并减少了所需要和控制的元件数量。

为了进一步确保音响品质,该电路针对电子干扰做了稳定性和指标设计,极佳的SNR和宽的动态范围是设计人员能够更容易地补偿道路、车厢或其它环境的噪声。

遥控音响单元

汽车中的DVD播放机、导航系统和其它分离的音响设备的放置令车内靠手、头垫之类的空间显得非常珍贵,处理来自这些组件的信号的电路必须特别紧凑,并确保高品质的音响。

本图显示了一个24位立体声DAC(WM8718),其面积只有4 x 4 mm,在诸如遥控音响单元之类的应用中占用很小的PCB空间。尽管其面积小,DAC却具有高性能指标,其111 dB的SNR和-100 dB的THD给了设计人员清晰的声音并支持最高192 kHz的采样率。QFN封装提供了牢固的焊接平台,消除了运动震动的影响。该器件的工作温度范围是-40到85C。DAC提供数字音量控制,而音响输出信号可以被方便地路由至耳机或去车头的CODEC,从而获得具有成本效益的后座娱乐。

在音响环境中,设计工程师可能喜欢将一个设备的数字音响转移到另外一个,而不必将数字信号首先转换为模拟信号。因此,越来越多的音响设备提供数字音响信号,以减少信号恶化的风险,并有机会利用更轻的光纤电缆将音响系统的各单元连接起来。

Sony/Philips Digital Interface (S/PDIF,上图)的开发使数字信号的转移成为可能。然而,一些现有的S/PDIF收发器芯片存在一些问题,包括:抖动太大、引脚太多、不支持192K采样频率(高品质音响的标准)、太少输入和输出、很差的误??告、很差的时钟输出及低性能的锁相环(PLL)。

时序抖动是一个对音响系统影响很大的问题。以通过S/PDIF连接到音响系统的车身DVD播放机为例,因为车头单元中的S/PDIF接收器对时序不稳定性敏感,因而可能出现问题。如果来自车身的信号不完善,那么接收器可能就不能对其锁定。

采用另外一款CODEC--24位 WM8777--可以解决这个问题,该器件具有改进的S/PDIF收发器,通过消除抖动补偿了与数字音源相关的时序错误。高端PLL容许接收含噪S/PDIF信号并发出清晰的信号。

WM8777采用8通道DAC和两通道ADC,其二次音响接口容许将CODEC与多个I2S数字音响系统接口,如音效处理器,从而简化了系统设计并减低了成本。其它集成功能包括混音管理、立体声混合、模拟音和音量控制和集成立体声耳机放大器,进一步减少了工程设计时间和板的面积。

未来之路

显然,汽车音响的使用方式已经发生了巨变,其驱动力来自技术进步和消费者的期望。有趣的是,尽管消费者可能不愿意每四年为家庭重新布线,但是,他们愿意每隔几年就翻新汽车。在某种意义上,汽车已经变成了互连模拟和数字音响信息、导航、娱乐和通信的新标准。

在这些变革来临的前夜,价格肯定仍然是设计音响系统的临界因素,品质已经成为首要关注的问题。汽车制造商需要供应商提供经测试及合格的电子元件,他们应该懂得并深谋远虑以将重要的功能设计到高性能的设备之中,以简化PCB设计工程师的任务。整个行业已经开始寻求创新的互连方法,将音响信息从系统传递给听众、从家庭带到汽车,反过来也一样。

John Crawford

Wolfson Microelectronics 消费音响产品部门的产品工程师

John.Crawford@wolfsonmicro.com






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