如何A2B技术和数字麦克风在新兴汽车应用中实现卓越性能

作者：Ken Waurin,Dietmar Ruwisch, andYu Du

介绍

这篇文章关于汽车音频总线（A®2B）技术解释了数字麦克风和连接技术的最新进展。这些创新使未来几代车辆信息娱乐系统能够迅速采用改变游戏规则的应用。®

市场和应用前景

在汽车车内电子领域，越来越明显的是，随着汽车制造商试图使其车辆在竞争中脱颖而出，音频、语音和声学相关应用的范围正在迅速扩大。此外，随着普通消费者越来越精通技术，他们对驾驶体验和与车辆的个人互动水平的期望正在显着扩大。家庭影院质量的音响系统在所有车辆价位上都很常见，现在正在通过复杂的免提 （HF） 和车载通信 （ICC） 系统得到增强。此外，主动和道路降噪（ANC/RNC）系统过去只部署在顶级高档车辆中，现在正在进入更主流、更实惠的细分市场。展望未来，基于声音或声学的技术将成为4级/5级自动驾驶汽车发动机控制单元（ECU）的关键组成部分，因为它们试图检测紧急车辆的存在。

将所有这些传统和新兴应用联系在一起的共同点是对高性能声学传感技术（如麦克风和加速度计）的依赖。由于几乎所有新兴应用都需要多个声学传感器（如麦克风（或麦克风阵列））来实现最佳系统级性能，因此需要一种简单经济高效的互连技术来确保将总系统成本降至最低。从历史上看，缺乏麦克风优化的互连技术一直是汽车制造商的一个重大痛点，因为每个麦克风都需要使用昂贵且沉重的屏蔽模拟电缆直接连接到处理单元。这些增加的成本——主要是在实际布线方面，其次是在增加重量和降低燃油效率方面——在许多情况下阻碍了这些应用的广泛采用，或者至少将它们限制在超高端领域。事实证明，数字麦克风和连接技术的最新进展是未来几代车辆信息娱乐系统中迅速采用改变游戏规则的应用的推动因素。一个2B技术将有所作为。

传统模拟麦克风的实现和限制

大多数国家/地区禁止在操作车辆时使用手持手机，而支持蓝牙的免提设备已成为几乎所有车辆的标准设备。提供多种免提解决方案，从包含扬声器和麦克风的简单独立单元到完全集成在车辆信息娱乐系统中的高级解决方案。直到最近，大多数免提系统都是以非常相似的方式实现的。它们仅由一个（很少两个）麦克风组成，相关的麦克风技术是已有50年历史的驻极体电容麦克风（ECM）类型。传输音频的语音质量通常不令人满意，特别是在简单的独立单元中，麦克风和说话者嘴巴之间的距离可能相当大。如果麦克风尽可能靠近嘴巴安装（例如，在车辆的车顶内衬中），则可以提高通信质量。但是，在这种情况下，如果要平等地支撑驾驶员和乘客，则两个前排座椅都需要单独的麦克风。®

典型的汽车ECM是在单个外壳中将ECM话筒头与小型放大器电路相结合的器件。该放大器提供电压电平的模拟信号，允许通过几米长的电线传输，这是典型汽车装置的要求。如果没有放大，原始ECM信号对于这样的导线长度来说太低，因为信噪比（SNR）会由于导线上的电磁干扰而下降太远。即使是放大的信号也需要屏蔽布线，这通常是一根带有偏置 （8 V） 的 2 线电缆，为麦克风设备供电。鉴于这样的布线要求，很明显，由于重量和系统成本的限制，主流车辆中使用的ECM设备数量受到限制。

ECM为数不多的优点之一是其内置的声学方向性，通常被调整为超心形或超心形指向性模式（MEMS麦克风也可以是单向的，但通常需要更复杂的声学设计）。通常，可以实现 10 dB 或更高的向后衰减，其中“向后”表示朝向挡风玻璃的方向，仅产生噪声（即没有所需的信号，例如说话者的声音）。在所需信号的输入方向上具有更高的灵敏度对于提高SNR非常有益。然而，定向ECM胶囊会带来不必要的副作用，例如高通特性，即灵敏度在较低频率下降低。这种高通响应的3 dB截止频率通常在300 Hz至350 Hz范围内。在HF技术的早期，这种高通行为是一个优势，因为发动机噪声主要存在于较低频率下，因此发动机声音已经通过麦克风衰减。但是，由于宽带或HD电话可用，这种高通行为开始成为一个问题。在宽带呼叫中，有效带宽从 300 Hz 增加到 3400 Hz，增加到 100 Hz 到 7000 Hz。麦克风的内置高通滤波器使得有必要在后处理单元中放大100 Hz至300 Hz之间的信号，如果麦克风首先要提供更好的音频带宽，则不需要这样做。ECM技术的另一个缺点是灵敏度和频率响应方面的器件间差异很大。ECM相对较大的制造公差对于单个麦克风应用来说可能不是问题。但是，如果在小间距麦克风阵列应用中部署了多个麦克风信号，则麦克风之间的紧密匹配对于最佳阵列性能至关重要。在这种情况下，ECM几乎无法使用。此外，从物理尺寸的角度来看，传统的ECM话筒头通常不适合小尺寸麦克风阵列。

麦克风阵列已经经历了广泛的适用性，包括在车辆中，因为与传统的ECM相比，它们可以提供相似的，通常更优越的方向性性能。有关声音冲击方向的空间信息可以使用组合在一个阵列中的两个或多个合适的麦克风从麦克风信号中提取。这类算法通常被称为波束成形（BF）。波束成形这个名称是从相控阵天线技术的类比中借来的，其中无线电“波束”是由使用简单的纯线性滤波器和求和算法聚焦在某个方向上的天线阵列的发射形成的。虽然麦克风阵列中没有这样的波束，但术语波束成形在传声器信号处理领域也变得非常普遍，它涵盖了更广泛的线性和非线性算法，比简单的线性波束成形过程具有更高的性能和更大的灵活性。

除了BF处理之外，原始麦克风信号几乎总是需要后处理，因为每个HF麦克风都会捕获所需的语音信号和车厢等环境中的干扰。风噪声、道路噪声和发动机噪声会降低 SNR，扬声器播放的信号（通常称为扬声器回声）是不需要的信号的额外来源。为了减少这种干扰并提高语音质量，需要复杂的数字信号处理技术，通常称为回声消除和降噪（AEC/NR）。AEC 从麦克风中移除扬声器声音，否则扬声器声音将作为线路另一端讲话者声音的回声传输。NR降低了恒定的驱动噪声，同时提高了发射信号的SNR。尽管国际电信联盟（ITU）已经发布了详细的规范（例如ITU-T P.1100和P.1110），定义了HF系统的许多性能细节，但如果AEC/NR处理质量不达标，则对运营车辆呼叫中通信质量的主观印象可能不令人满意。结合前面提到的BF算法，AEC / NR / BF捆绑包支持各种新应用，所有这些都与某种程度的数字音频信号处理有关。为了支持这些应用，需要新一代麦克风技术来克服传统ECM的缺点。

数字MEMS麦克风——技术和性能优势

微机电系统（MEMS）技术正迅速成为麦克风的新行业标准，因为它与传统ECM相比具有许多优势。首先，MEMS可实现比现有ECM话筒头更小尺寸的声音传感器。此外，将MEMS传感器与模数转换器（ADC）集成到单个IC中，可以产生一个数字麦克风，为AEC/NR/BF处理提供信号。

我们也可以使用不带集成ADC的模拟端口MEMS麦克风，但它们与模拟ECM有许多相同的缺点，如果在传统的2线模拟接口上工作，甚至需要比ECM更复杂的放大器电路。只有采用全数字接口技术，才能显著缓解模拟线固有的干扰和SNR问题。此外，从生产的角度来看，MEMS是首选，因为MEMS麦克风可以比ECM胶囊具有更严格的规格差异，这对于BF算法很重要。最后，使用MEMS IC麦克风，由于可以利用自动安装技术，从而大大降低了总体生产成本，因此大大简化了制造过程。从应用的角度来看，更小的外形尺寸是最大的优势，而且由于声音入口端口非常小，MEMS麦克风阵列几乎可以隐形。传感器的舷窗和声音通道在设计和生产质量方面需要格外小心。如果声学密封不紧密，来自内部结构的噪声可能会到达传感器，两个传感器之间的泄漏可能会降低BF算法的性能。与可以设计和制造为全向或定向的典型ECM话筒头不同，MEMS麦克风元件几乎总是被制造成全向的（也就是说，它们没有声音接收的固有方向性）。因此，MEMS麦克风是相位真全向声压传感器，可为高级BF算法提供理想信号，其中衰减方向和波束宽度可通过软件进行用户配置。

通常，将所有信号处理模块分组到一个集成算法套件中非常重要。如果功能块彼此隔离地实现，处理延迟将不必要地增加，并且整体系统性能将下降。例如，BF 算法应始终与 AEC 一起实现，并且最好由同一提供商实现。如果BF算法对信号引入任何非线性效应，AEC肯定会产生不令人满意的结果。数字信号处理的理想结果最好通过接收未损坏的麦克风信号的集成算法束来实现。

下面详细比较了标准线性BF和ADI专有算法，以充分了解高级BF算法的性能潜力。图1中的曲线显示了三种不同的BF算法，涉及波束内和波束外方向的极性特性和频率响应。基于2麦克风阵列的标准线性超心形算法作为基准（黑色曲线）。基准曲线显示了典型零角度方向的最大衰减（即最大离束衰减）和 180° 处的“后瓣”，其中离束衰减较低。由此产生的后瓣是线性算法中波束宽度的权衡。心形光束（未显示）的最大衰减正好为 180°;然而，其接受区域比超心形或超心形配置更宽。使用非线性算法方法可以实现具有不太显著的后瓣和较高波束衰减的波束，红色曲线显示ADI专有的此类2-mic算法（麦克风间距：20 mm）。

图1.不同BF算法的极性衰减特性.

在一个阵列中有两个全向麦克风时，波束形状始终存在旋转对称性。换句话说，极坐标图中X°处的衰减与360°-X°处的衰减相同。这假设极坐标图的 0° 到 180° 线等效于连接两个麦克风的假想线。通过围绕该麦克风轴旋转2D极坐标图，可以想象三维光束形状。没有旋转对称性的不对称波束形状或更窄的波束需要至少三个呈三角形排列的麦克风。例如，在典型的头顶控制台安装中，2 麦克风阵列可以衰减挡风玻璃的声音。但是，在这样的方向上，2 麦克风阵列无法区分驾驶员和乘客。将阵列旋转90°将使驾驶员/乘客的这种区分成为可能，但挡风玻璃的噪音无法与机舱内的声音区分开来。挡风玻璃噪声衰减和驾驶员/乘客区分只能使用阵列中配置的三个或更多全向麦克风来实现。ADI专有的3麦克风算法的示例性极性特性如图1中的绿色曲线给出，其中麦克风排列在间距为20 mm的等边三角形中。

极坐标图是用从不同角度到达麦克风阵列的带限白噪声计算的。音频带宽限制为 100 Hz 至 7000 Hz，这是最先进的手机网络的宽带（或高清语音）带宽。图2比较了不同算法类型的频率响应曲线。在波束内方向，正如预期的那样，所有算法的频率响应在所需的音频带宽内都是平坦的。计算光束外半空间（90°至270°）的光束外频率响应，确认在宽频率范围内具有高光束外衰减。

图2.不同BF算法的波束内（虚线）和波外（粗线）频率响应。

阵列麦克风间距与音频带宽与采样率之间的关系值得进一步讨论。宽带高清语音使用16 kHz的采样率，是语音传输的不错选择。当前的16 kHz宽带采样率和8 kHz之间的语音质量和语音清晰度存在巨大差异，后者用于前几代窄带系统。在语音识别提供商的推动下，对更高采样率（例如 24 kHz 或 32 kHz）的需求不断增长。在语音频段应用的采样率应高达48 kHz（通常是主要系统音频采样率）的情况下，可以找到规格。潜在的动机是避免任何内部采样率转换。然而，支持这些高采样率所需的额外计算资源不能用切实的听觉优势来证明，因此16 kHz或24 kHz现在被广泛接受为大多数语音频段应用的推荐采样率。

高采样率对于BF应用来说是有问题的，因为空间混叠发生在等于声速除以麦克风间距两倍的频率下。空间混叠是不可取的，因为在这种混叠频率下不可能出现BF。如果麦克风间距限制在 21 mm 或更小，则可以避免宽带系统（16 kHz 采样率）的空间混叠。较高的采样率需要较小的间距以避免空间混叠。然而，麦克风间距过小也是不可取的，因为麦克风容差，尤其是麦克风传感器的固有（非声学）噪声可能会成为一个问题。如果间距很小，阵列麦克风之间的信号差异就会变得很小，并且麦克风之间的固有噪声和灵敏度偏差等干扰可能会压倒麦克风之间的信号差异。实际上，麦克风间距不应小于 10 毫米。

一个2B 技术概述

一个2B技术专为简化新兴汽车麦克风和传感器密集型应用中的连接挑战而开发。从实现的角度来看，A2B 是单主、多子节点（最多 10 个）线路拓扑。第三代 A2目前全面生产的B型收发器由五个系列成员组成，均提供汽车、工业和消费类温度范围。全功能AD2428W以及四种功能缩减、成本更低的衍生产品（AD2429W、AD2427W、AD2426W和AD2420W）构成了ADI最新的引脚兼容、增强型A系列。2B 收发器。

AD2427W和AD2426W提供精简（仅子节点）功能，主要面向免提、ANC/RNC或ICC等麦克风连接应用。AD2429W和AD2420W均为入门级A级2与全功能同类产品相比，B 类衍生产品具有显著的成本优势，特别适合对成本敏感的应用，如汽车 eCall 和多元件麦克风阵列。表1显示了第三代A之间的功能比较2B 收发器。

AD242x系列支持以菊花链方式连接单个主节点和多达10个子节点，总线总距离为40 m，各个节点之间支持长达15 m。一个2与现有环形拓扑相比，B 的菊花链线拓扑具有重要优势，因为它关系到整体系统的完整性和鲁棒性。如果 A 的一个连接2B菊花链被破坏，整个网络不会崩溃。只有故障连接下游的节点才会受到故障的影响。和一2B 的嵌入式诊断可以隔离故障源，发出中断信号以启动纠正措施。

一个2与现有的数字总线架构相比，B的主/子节点线路拓扑本质上是高效的。在简单的总线发现过程之后，无需额外的处理器干预即可管理正常的总线操作。作为 A 的额外好处2B的独特架构，系统延迟是完全确定的（2总线周期延迟，小于50 μs），无论音频节点在A上的位置如何2B巴士。此功能对于 ANC/RNC 和 ICC 等语音和音频应用非常重要，在这些应用中，来自多个远程传感器的音频样本必须以时间对齐的方式进行处理。

全部 A2B 收发器通过单根 2 线 UTP 电缆提供音频、控制、时钟和电源。由于各种原因，这降低了整体系统成本。

与传统实现相比，物理导线的数量减少了。

与更昂贵的屏蔽电缆相比，实际电线本身可以是成本更低、重量更轻的 UTP。

最重要的是，对于特定用例，A2B 技术提供总线电源功能，可为 A 上的音频节点提供高达 300 mA 的电流2B 菊花链。这种总线电源功能消除了音频ECU对本地电源的需求，从而进一步降低了系统总成本。

A 提供的总 50 Mbps 总线带宽2B 技术支持多达 32 个上行和多达 32 个下行音频通道，使用标准音频采样率（44.1 kHz、48 kHz 等）和通道宽度（16 位、24 位）。这为各种音频 I/O 设备提供了极大的灵活性和连接性。在音频ECU之间保持完全数字的音频信号链可确保保留最高质量的音频，而不会通过ADC/DAC转换引入音频降级的可能性。

系统级诊断是 A 的重要组成部分2B技术。全部 A2B 节点能够识别各种故障条件，包括开路、电线短路、电线反接或电线短路到电源或接地。从系统完整性的角度来看，此功能非常重要，因为在开路、导线短路或导线反转故障的情况下，A2B 节点在故障上游仍完全正常运行。诊断功能还可以有效隔离系统级故障，从经销商/安装商的角度来看，这一点至关重要。

最近发布的第四代 A2B收发器AD243x在现有技术基础上，增加了关键功能参数（节点数增加到17个，总线功率增加到50 W），同时增加了一个额外的基于SPI的控制通道（10 Mbps），为智能A的远程编程提供高效的软件无线（SOTA）功能2B 连接节点。AD243x系列提供的新功能使其非常适合超高级麦克风架构中的LED麦克风节点。

A 的应用2B 汽车工业中的麦克风和传感器

从单个语音麦克风到用于HF通信的多元件BF麦克风阵列，从ANC到RNC，从ICC到警笛声音检测，麦克风在汽车行业的应用越来越多。根据技术和市场趋势，今天上路的几乎每辆新车都配备了至少一个用于HF通信的麦克风模块。高档和豪华车可能配备六个或更多麦克风模块，这些模块是实现BF、AEC、ANC、RNC、ICC等全部潜力所必需的，其中数字MEMS麦克风具有明显的优势。

不断增长的麦克风数量给车辆信息娱乐工程师带来了一个重大挑战——如何简化连接线束并减轻其重量。对于传统的模拟系统来说，这不是一项微不足道的任务。模拟麦克风至少需要一对两根屏蔽线（接地和信号/电源）、引脚和连接器腔进行互连。电线数量始终是系统中麦克风模块数量的两倍。同时，线束的总重量可能会更快地增加，具体取决于连接每个麦克风模块所需的电线长度。缓解此问题的一种简单方法是通过在多个应用程序之间共享麦克风信号来减少系统中使用的麦克风数量。例如，相同的麦克风信号可用于HF通信，并作为ANC系统中的错误信号。但是，不同的应用可能需要不同的麦克风特性。在前面提到的示例中，HF麦克风信号通常更喜欢具有上升的频率响应形状（即灵敏度随着频率的降低而降低），以消除机舱内的低频噪声成分。这是一种有用且非常有效的技术，可以提高语音麦克风提供的语音清晰度。相反，ANC麦克风在低频下需要足够的灵敏度水平，因为ANC算法的主要目的是降低低频噪声。因此，为了在模拟系统中的两个应用中共享同一个麦克风，需要将来自麦克风的信号馈送到不同的电路中进行适当的频率滤波。在这种情况下，可能会形成一个或多个接地环路，这可能会导致严重的噪声问题。

作为具有菊花链功能的数字总线，A2B技术与数字MEMS麦克风一起为互连和/或共享多个麦克风信号提供了非常适合的解决方案，这些信号是音频、语音、降噪和其他在车辆中迅速扩展的声学应用所需要的。考虑一个虚构的示例案例，其中汽车应用需要 HF 麦克风模块、ANC 麦克风模块和由两个用于 BF 的麦克风元件组成的简单阵列麦克风模块，并且所有三个模块都集成在头顶控制台区域周围。图3a和3b显示了如何使用传统的模拟和数字A实现这种设计2分别是 B 系统。

图3.（a） 使用模拟麦克风元件（屏蔽线）的模拟系统设计。（b） 采用数字麦克风元件的数字系统设计（A2B 技术和 UTP 电线）。

由于模拟系统无法轻松实现麦克风共享，因此每个应用模块（HF、ANC 和 BF）都需要专用麦克风和单独的线束来连接相应的功能电路。这导致四个独立的麦克风元件和三组线束（总共七根电线加上屏蔽）。相比之下，因为数字A很容易支持共享信号2B系统中，麦克风元件的数量可以从四个减少到两个。在此具体示例中，由两个宽带宽全向麦克风元件组成的单个麦克风模块可用于提供两个声学信号通道，以满足所有应用模块的需求。一旦这两个信号通道通过简单的UTP线到达中央处理单元（例如，音响主机或放大器），就可以对其进行共享和数字处理，以支持HF、ANC和BF应用。

尽管图 3 中所示的示例可能并不代表真实情况，但它清楚地展示了 A 的优势。2B技术优于传统模拟技术。像A这样的数字音频总线系统2B技术解决了汽车制造商面临的挑战，即提供新的音频和声学相关概念，以增强用户体验，并允许将这些概念推向市场以加快实施速度。

事实上，许多汽车市场新应用或以前难以实现的应用都是通过汽车市场的商业化而实现的。2B技术。例如，作为领先的汽车音频解决方案提供商，哈曼国际开发了一系列数字麦克风和传感器模块，该模块利用了2B系统支持各种汽车应用。图 4 显示了一些常见的汽车 A2B 麦克风和传感器以及如何在车辆上使用它们。这些传感器包括单个 A2用于主动降噪和语音通信的 B 麦克风和多元件麦克风阵列，A2用于 RNC 的 B 加速度计，外部安装的保险杠 A2B 麦克风和屋顶 A2用于紧急警报器检测和声学环境监测的 B 麦克风阵列。由这些 A 启用2B麦克风和加速度计，越来越多的需要多个传感器输入的应用解决方案目前正在开发中，以进一步增强汽车行业的用户体验。

总结

未来的车辆架构将越来越依赖于高性能声学传感技术，如麦克风和加速度计。包括传感器、互连和处理器在内的全数字化方法可提供显著的性能和系统成本优势。ADI公司和哈曼国际公司正在合作提供经济高效的解决方案，为其最终客户创造价值和差异化。