作者：Ken Waurin, Dietmar Ruwisch, and Yu Du

這篇文章關于汽車音頻總線（A?2B）技術解釋了數字麥克風和連接技術的最新進展。這些創新使未來幾代車輛信息娛樂系統能夠迅速采用改變游戲規則的應用。?

市場和應用前景

在汽車車內電子領域，越來越明顯的是，隨著汽車制造商試圖使其車輛在競爭中脫穎而出，音頻、語音和聲學相關應用的范圍正在迅速擴大。此外，隨著普通消費者越來越精通技術，他們對駕駛體驗和與車輛的個人互動水平的期望正在顯著擴大。家庭影院質量的音響系統在所有車輛價位上都很常見，現在正在通過復雜的免提 （HF） 和車載通信 （ICC） 系統得到增強。此外，主動和道路降噪（ANC/RNC）系統過去只部署在頂級高檔車輛中，現在正在進入更主流、更實惠的細分市場。展望未來，基于聲音或聲學的技術將成為4級/5級自動駕駛汽車發動機控制單元（ECU）的關鍵組成部分，因為它們試圖檢測緊急車輛的存在。

將所有這些傳統和新興應用聯系在一起的共同點是對高性能聲學傳感技術（如麥克風和加速度計）的依賴。由于幾乎所有新興應用都需要多個聲學傳感器（如麥克風（或麥克風陣列））來實現最佳系統級性能，因此需要一種簡單經濟高效的互連技術來確保將總系統成本降至最低。從歷史上看，缺乏麥克風優化的互連技術一直是汽車制造商的一個重大痛點，因為每個麥克風都需要使用昂貴且沉重的屏蔽模擬電纜直接連接到處理單元。這些增加的成本——主要是在實際布線方面，其次是在增加重量和降低燃油效率方面——在許多情況下阻礙了這些應用的廣泛采用，或者至少將它們限制在超高端領域。事實證明，數字麥克風和連接技術的最新進展是未來幾代車輛信息娛樂系統中迅速采用改變游戲規則的應用的推動因素。一個2B技術將有所作為。

傳統模擬麥克風的實現和限制

大多數國家/地區禁止在操作車輛時使用手持手機，而支持藍牙的免提設備已成為幾乎所有車輛的標準設備。提供多種免提解決方案，從包含揚聲器和麥克風的簡單獨立單元到完全集成在車輛信息娛樂系統中的高級解決方案。直到最近，大多數免提系統都是以非常相似的方式實現的。它們僅由一個（很少兩個）麥克風組成，相關的麥克風技術是已有50年歷史的駐極體電容麥克風（ECM）類型。傳輸音頻的語音質量通常不令人滿意，特別是在簡單的獨立單元中，麥克風和說話者嘴巴之間的距離可能相當大。如果麥克風盡可能靠近嘴巴安裝（例如，在車輛的車頂內襯中），則可以提高通信質量。但是，在這種情況下，如果要平等地支撐駕駛員和乘客，則兩個前排座椅都需要單獨的麥克風。?

典型的汽車ECM是在單個外殼中將ECM話筒頭與小型放大器電路相結合的器件。該放大器提供電壓電平的模擬信號，允許通過幾米長的電線傳輸，這是典型汽車裝置的要求。如果沒有放大，原始ECM信號對于這樣的導線長度來說太低，因為信噪比（SNR）會由于導線上的電磁干擾而下降太遠。即使是放大的信號也需要屏蔽布線，這通常是一根帶有偏置 （8 V） 的 2 線電纜，為麥克風設備供電。鑒于這樣的布線要求，很明顯，由于重量和系統成本的限制，主流車輛中使用的ECM設備數量受到限制。

ECM為數不多的優點之一是其內置的聲學方向性，通常被調整為超心形或超心形指向性模式（MEMS麥克風也可以是單向的，但通常需要更復雜的聲學設計）。通常，可以實現 10 dB 或更高的向后衰減，其中“向后”表示朝向擋風玻璃的方向，僅產生噪聲（即沒有所需的信號，例如說話者的聲音）。在所需信號的輸入方向上具有更高的靈敏度對于提高SNR非常有益。然而，定向ECM膠囊會帶來不必要的副作用，例如高通特性，即靈敏度在較低頻率下降低。這種高通響應的3 dB截止頻率通常在300 Hz至350 Hz范圍內。在HF技術的早期，這種高通行為是一個優勢，因為發動機噪聲主要存在于較低頻率下，因此發動機聲音已經通過麥克風衰減。但是，由于寬帶或HD電話可用，這種高通行為開始成為一個問題。在寬帶呼叫中，有效帶寬從 300 Hz 增加到 3400 Hz，增加到 100 Hz 到 7000 Hz。麥克風的內置高通濾波器使得有必要在后處理單元中放大100 Hz至300 Hz之間的信號，如果麥克風首先要提供更好的音頻帶寬，則不需要這樣做。ECM技術的另一個缺點是靈敏度和頻率響應方面的器件間差異很大。ECM相對較大的制造公差對于單個麥克風應用來說可能不是問題。但是，如果在小間距麥克風陣列應用中部署了多個麥克風信號，則麥克風之間的緊密匹配對于最佳陣列性能至關重要。在這種情況下，ECM幾乎無法使用。此外，從物理尺寸的角度來看，傳統的ECM話筒頭通常不適合小尺寸麥克風陣列。

麥克風陣列已經經歷了廣泛的適用性，包括在車輛中，因為與傳統的ECM相比，它們可以提供相似的，通常更優越的方向性性能。有關聲音沖擊方向的空間信息可以使用組合在一個陣列中的兩個或多個合適的麥克風從麥克風信號中提取。這類算法通常被稱為波束成形（BF）。波束成形這個名稱是從相控陣天線技術的類比中借來的，其中無線電“波束”是由使用簡單的純線性濾波器和求和算法聚焦在某個方向上的天線陣列的發射形成的。雖然麥克風陣列中沒有這樣的波束，但術語波束成形在傳聲器信號處理領域也變得非常普遍，它涵蓋了更廣泛的線性和非線性算法，比簡單的線性波束成形過程具有更高的性能和更大的靈活性。

除了BF處理之外，原始麥克風信號幾乎總是需要后處理，因為每個HF麥克風都會捕獲所需的語音信號和車廂等環境中的干擾。風噪聲、道路噪聲和發動機噪聲會降低 SNR，揚聲器播放的信號（通常稱為揚聲器回聲）是不需要的信號的額外來源。為了減少這種干擾并提高語音質量，需要復雜的數字信號處理技術，通常稱為回聲消除和降噪（AEC/NR）。AEC 從麥克風中移除揚聲器聲音，否則揚聲器聲音將作為線路另一端講話者聲音的回聲傳輸。NR降低了恒定的驅動噪聲，同時提高了發射信號的SNR。盡管國際電信聯盟（ITU）已經發布了詳細的規范（例如ITU-T P.1100和P.1110），定義了HF系統的許多性能細節，但如果AEC/NR處理質量不達標，則對運營車輛呼叫中通信質量的主觀印象可能不令人滿意。結合前面提到的BF算法，AEC / NR / BF捆綁包支持各種新應用，所有這些都與某種程度的數字音頻信號處理有關。為了支持這些應用，需要新一代麥克風技術來克服傳統ECM的缺點。

數字MEMS麥克風——技術和性能優勢

微機電系統（MEMS）技術正迅速成為麥克風的新行業標準，因為它與傳統ECM相比具有許多優勢。首先，MEMS可實現比現有ECM話筒頭更小尺寸的聲音傳感器。此外，將MEMS傳感器與模數轉換器（ADC）集成到單個IC中，可以產生一個數字麥克風，為AEC/NR/BF處理提供信號。

我們也可以使用不帶集成ADC的模擬端口MEMS麥克風，但它們與模擬ECM有許多相同的缺點，如果在傳統的2線模擬接口上工作，甚至需要比ECM更復雜的放大器電路。只有采用全數字接口技術，才能顯著緩解模擬線固有的干擾和SNR問題。此外，從生產的角度來看，MEMS是首選，因為MEMS麥克風可以比ECM膠囊具有更嚴格的規格差異，這對于BF算法很重要。最后，使用MEMS IC麥克風，由于可以利用自動安裝技術，從而大大降低了總體生產成本，因此大大簡化了制造過程。從應用的角度來看，更小的外形尺寸是最大的優勢，而且由于聲音入口端口非常小，MEMS麥克風陣列幾乎可以隱形。傳感器的舷窗和聲音通道在設計和生產質量方面需要格外小心。如果聲學密封不緊密，來自內部結構的噪聲可能會到達傳感器，兩個傳感器之間的泄漏可能會降低BF算法的性能。與可以設計和制造為全向或定向的典型ECM話筒頭不同，MEMS麥克風元件幾乎總是被制造成全向的（也就是說，它們沒有聲音接收的固有方向性）。因此，MEMS麥克風是相位真全向聲壓傳感器，可為高級BF算法提供理想信號，其中衰減方向和波束寬度可通過軟件進行用戶配置。

通常，將所有信號處理模塊分組到一個集成算法套件中非常重要。如果功能塊彼此隔離地實現，處理延遲將不必要地增加，并且整體系統性能將下降。例如，BF 算法應始終與 AEC 一起實現，并且最好由同一提供商實現。如果BF算法對信號引入任何非線性效應，AEC肯定會產生不令人滿意的結果。數字信號處理的理想結果最好通過接收未損壞的麥克風信號的集成算法束來實現。

下面詳細比較了標準線性BF和ADI專有算法，以充分了解高級BF算法的性能潛力。圖1中的曲線顯示了三種不同的BF算法，涉及波束內和波束外方向的極性特性和頻率響應。基于2麥克風陣列的標準線性超心形算法作為基準（黑色曲線）。基準曲線顯示了典型零角度方向的最大衰減（即最大離束衰減）和 180° 處的“后瓣”，其中離束衰減較低。由此產生的后瓣是線性算法中波束寬度的權衡。心形光束（未顯示）的最大衰減正好為 180°;然而，其接受區域比超心形或超心形配置更寬。使用非線性算法方法可以實現具有不太顯著的后瓣和較高波束衰減的波束，紅色曲線顯示ADI專有的此類2-mic算法（麥克風間距：20 mm）。

圖1.不同BF算法的極性衰減特性.

在一個陣列中有兩個全向麥克風時，波束形狀始終存在旋轉對稱性。換句話說，極坐標圖中X°處的衰減與360°-X°處的衰減相同。這假設極坐標圖的 0° 到 180° 線等效于連接兩個麥克風的假想線。通過圍繞該麥克風軸旋轉2D極坐標圖，可以想象三維光束形狀。沒有旋轉對稱性的不對稱波束形狀或更窄的波束需要至少三個呈三角形排列的麥克風。例如，在典型的頭頂控制臺安裝中，2 麥克風陣列可以衰減擋風玻璃的聲音。但是，在這樣的方向上，2 麥克風陣列無法區分駕駛員和乘客。將陣列旋轉90°將使駕駛員/乘客的這種區分成為可能，但擋風玻璃的噪音無法與機艙內的聲音區分開來。擋風玻璃噪聲衰減和駕駛員/乘客區分只能使用陣列中配置的三個或更多全向麥克風來實現。ADI專有的3麥克風算法的示例性極性特性如圖1中的綠色曲線給出，其中麥克風排列在間距為20 mm的等邊三角形中。

極坐標圖是用從不同角度到達麥克風陣列的帶限白噪聲計算的。音頻帶寬限制為 100 Hz 至 7000 Hz，這是最先進的手機網絡的寬帶（或高清語音）帶寬。圖2比較了不同算法類型的頻率響應曲線。在波束內方向，正如預期的那樣，所有算法的頻率響應在所需的音頻帶寬內都是平坦的。計算光束外半空間（90°至270°）的光束外頻率響應，確認在寬頻率范圍內具有高光束外衰減。

圖2.不同BF算法的波束內（虛線）和波外（粗線）頻率響應。

陣列麥克風間距與音頻帶寬與采樣率之間的關系值得進一步討論。寬帶高清語音使用16 kHz的采樣率，是語音傳輸的不錯選擇。當前的16 kHz寬帶采樣率和8 kHz之間的語音質量和語音清晰度存在巨大差異，后者用于前幾代窄帶系統。在語音識別提供商的推動下，對更高采樣率（例如 24 kHz 或 32 kHz）的需求不斷增長。在語音頻段應用的采樣率應高達48 kHz（通常是主要系統音頻采樣率）的情況下，可以找到規格。潛在的動機是避免任何內部采樣率轉換。然而，支持這些高采樣率所需的額外計算資源不能用切實的聽覺優勢來證明，因此16 kHz或24 kHz現在被廣泛接受為大多數語音頻段應用的推薦采樣率。

高采樣率對于BF應用來說是有問題的，因為空間混疊發生在等于聲速除以麥克風間距兩倍的頻率下。空間混疊是不可取的，因為在這種混疊頻率下不可能出現BF。如果麥克風間距限制在 21 mm 或更小，則可以避免寬帶系統（16 kHz 采樣率）的空間混疊。較高的采樣率需要較小的間距以避免空間混疊。然而，麥克風間距過小也是不可取的，因為麥克風容差，尤其是麥克風傳感器的固有（非聲學）噪聲可能會成為一個問題。如果間距很小，陣列麥克風之間的信號差異就會變得很小，并且麥克風之間的固有噪聲和靈敏度偏差等干擾可能會壓倒麥克風之間的信號差異。實際上，麥克風間距不應小于 10 毫米。

一個2B 技術概述

一個2B技術專為簡化新興汽車麥克風和傳感器密集型應用中的連接挑戰而開發。從實現的角度來看，A2B 是單主、多子節點（最多 10 個）線路拓撲。第三代 A2目前全面生產的B型收發器由五個系列成員組成，均提供汽車、工業和消費類溫度范圍。全功能AD2428W以及四種功能縮減、成本更低的衍生產品（AD2429W、AD2427W、AD2426W和AD2420W）構成了ADI最新的引腳兼容、增強型A系列。2B 收發器。

AD2427W和AD2426W提供精簡（僅子節點）功能，主要面向免提、ANC/RNC或ICC等麥克風連接應用。AD2429W和AD2420W均為入門級A級2與全功能同類產品相比，B 類衍生產品具有顯著的成本優勢，特別適合對成本敏感的應用，如汽車 eCall 和多元件麥克風陣列。表1顯示了第三代A之間的功能比較2B 收發器。

AD242x系列支持以菊花鏈方式連接單個主節點和多達10個子節點，總線總距離為40 m，各個節點之間支持長達15 m。一個2與現有環形拓撲相比，B 的菊花鏈線拓撲具有重要優勢，因為它關系到整體系統的完整性和魯棒性。如果 A 的一個連接2B菊花鏈被破壞，整個網絡不會崩潰。只有故障連接下游的節點才會受到故障的影響。和一2B 的嵌入式診斷可以隔離故障源，發出中斷信號以啟動糾正措施。

一個2與現有的數字總線架構相比，B的主/子節點線路拓撲本質上是高效的。在簡單的總線發現過程之后，無需額外的處理器干預即可管理正常的總線操作。作為 A 的額外好處2B的獨特架構，系統延遲是完全確定的（2總線周期延遲，小于50 μs），無論音頻節點在A上的位置如何2B巴士。此功能對于 ANC/RNC 和 ICC 等語音和音頻應用非常重要，在這些應用中，來自多個遠程傳感器的音頻樣本必須以時間對齊的方式進行處理。

全部 A2B 收發器通過單根 2 線 UTP 電纜提供音頻、控制、時鐘和電源。由于各種原因，這降低了整體系統成本。

與傳統實現相比，物理導線的數量減少了。

與更昂貴的屏蔽電纜相比，實際電線本身可以是成本更低、重量更輕的 UTP。

最重要的是，對于特定用例，A2B 技術提供總線電源功能，可為 A 上的音頻節點提供高達 300 mA 的電流2B 菊花鏈。這種總線電源功能消除了音頻ECU對本地電源的需求，從而進一步降低了系統總成本。

A 提供的總 50 Mbps 總線帶寬2B 技術支持多達 32 個上行和多達 32 個下行音頻通道，使用標準音頻采樣率（44.1 kHz、48 kHz 等）和通道寬度（16 位、24 位）。這為各種音頻 I/O 設備提供了極大的靈活性和連接性。在音頻ECU之間保持完全數字的音頻信號鏈可確保保留最高質量的音頻，而不會通過ADC/DAC轉換引入音頻降級的可能性。

系統級診斷是 A 的重要組成部分2B技術。全部 A2B 節點能夠識別各種故障條件，包括開路、電線短路、電線反接或電線短路到電源或接地。從系統完整性的角度來看，此功能非常重要，因為在開路、導線短路或導線反轉故障的情況下，A2B 節點在故障上游仍完全正常運行。診斷功能還可以有效隔離系統級故障，從經銷商/安裝商的角度來看，這一點至關重要。

最近發布的第四代 A2B收發器AD243x在現有技術基礎上，增加了關鍵功能參數（節點數增加到17個，總線功率增加到50 W），同時增加了一個額外的基于SPI的控制通道（10 Mbps），為智能A的遠程編程提供高效的軟件無線（SOTA）功能2B 連接節點。AD243x系列提供的新功能使其非常適合超高級麥克風架構中的LED麥克風節點。

A 的應用2B 汽車工業中的麥克風和傳感器

從單個語音麥克風到用于HF通信的多元件BF麥克風陣列，從ANC到RNC，從ICC到警笛聲音檢測，麥克風在汽車行業的應用越來越多。根據技術和市場趨勢，今天上路的幾乎每輛新車都配備了至少一個用于HF通信的麥克風模塊。高檔和豪華車可能配備六個或更多麥克風模塊，這些模塊是實現BF、AEC、ANC、RNC、ICC等全部潛力所必需的，其中數字MEMS麥克風具有明顯的優勢。

不斷增長的麥克風數量給車輛信息娛樂工程師帶來了一個重大挑戰——如何簡化連接線束并減輕其重量。對于傳統的模擬系統來說，這不是一項微不足道的任務。模擬麥克風至少需要一對兩根屏蔽線（接地和信號/電源）、引腳和連接器腔進行互連。電線數量始終是系統中麥克風模塊數量的兩倍。同時，線束的總重量可能會更快地增加，具體取決于連接每個麥克風模塊所需的電線長度。緩解此問題的一種簡單方法是通過在多個應用程序之間共享麥克風信號來減少系統中使用的麥克風數量。例如，相同的麥克風信號可用于HF通信，并作為ANC系統中的錯誤信號。但是，不同的應用可能需要不同的麥克風特性。在前面提到的示例中，HF麥克風信號通常更喜歡具有上升的頻率響應形狀（即靈敏度隨著頻率的降低而降低），以消除機艙內的低頻噪聲成分。這是一種有用且非常有效的技術，可以提高語音麥克風提供的語音清晰度。相反，ANC麥克風在低頻下需要足夠的靈敏度水平，因為ANC算法的主要目的是降低低頻噪聲。因此，為了在模擬系統中的兩個應用中共享同一個麥克風，需要將來自麥克風的信號饋送到不同的電路中進行適當的頻率濾波。在這種情況下，可能會形成一個或多個接地環路，這可能會導致嚴重的噪聲問題。

作為具有菊花鏈功能的數字總線，A2B技術與數字MEMS麥克風一起為互連和/或共享多個麥克風信號提供了非常適合的解決方案，這些信號是音頻、語音、降噪和其他在車輛中迅速擴展的聲學應用所需要的。考慮一個虛構的示例案例，其中汽車應用需要 HF 麥克風模塊、ANC 麥克風模塊和由兩個用于 BF 的麥克風元件組成的簡單陣列麥克風模塊，并且所有三個模塊都集成在頭頂控制臺區域周圍。圖3a和3b顯示了如何使用傳統的模擬和數字A實現這種設計2分別是 B 系統。

圖3.（a） 使用模擬麥克風元件（屏蔽線）的模擬系統設計。（b） 采用數字麥克風元件的數字系統設計（A2B 技術和 UTP 電線）。

由于模擬系統無法輕松實現麥克風共享，因此每個應用模塊（HF、ANC 和 BF）都需要專用麥克風和單獨的線束來連接相應的功能電路。這導致四個獨立的麥克風元件和三組線束（總共七根電線加上屏蔽）。相比之下，因為數字A很容易支持共享信號2B系統中，麥克風元件的數量可以從四個減少到兩個。在此具體示例中，由兩個寬帶寬全向麥克風元件組成的單個麥克風模塊可用于提供兩個聲學信號通道，以滿足所有應用模塊的需求。一旦這兩個信號通道通過簡單的UTP線到達中央處理單元（例如，音響主機或放大器），就可以對其進行共享和數字處理，以支持HF、ANC和BF應用。

盡管圖 3 中所示的示例可能并不代表真實情況，但它清楚地展示了 A 的優勢。2B技術優于傳統模擬技術。像A這樣的數字音頻總線系統2B技術解決了汽車制造商面臨的挑戰，即提供新的音頻和聲學相關概念，以增強用戶體驗，并允許將這些概念推向市場以加快實施速度。

事實上，許多汽車市場新應用或以前難以實現的應用都是通過汽車市場的商業化而實現的。2B技術。例如，作為領先的汽車音頻解決方案提供商，哈曼國際開發了一系列數字麥克風和傳感器模塊，該模塊利用了2B系統支持各種汽車應用。圖 4 顯示了一些常見的汽車 A2B 麥克風和傳感器以及如何在車輛上使用它們。這些傳感器包括單個 A2用于主動降噪和語音通信的 B 麥克風和多元件麥克風陣列，A2用于 RNC 的 B 加速度計，外部安裝的保險杠 A2B 麥克風和屋頂 A2用于緊急警報器檢測和聲學環境監測的 B 麥克風陣列。由這些 A 啟用2B麥克風和加速度計，越來越多的需要多個傳感器輸入的應用解決方案目前正在開發中，以進一步增強汽車行業的用戶體驗。

總結

未來的車輛架構將越來越依賴于高性能聲學傳感技術，如麥克風和加速度計。包括傳感器、互連和處理器在內的全數字化方法可提供顯著的性能和系統成本優勢。ADI公司和哈曼國際公司正在合作提供經濟高效的解決方案，為其最終客戶創造價值和差異化。

審核編輯：郭婷