汽車製造商致力於使其下一代汽車比以前更安全、更智慧且更省油。為此,需要在汽車中部署更多的電子控制單元(ECU),以實現智慧無線電連接、路噪主動降噪(RNC)、個人音區分區(PAZ)、車內通訊(ICC)和自動駕駛等新特性和功能,而這會導致電子系統的數量不斷增加。隨著ECU數量的不斷增加,連接各種ECU所需的電纜的重量和成本也隨之增加。增加的重量會反過來降低汽車的燃油效率,這一點讓汽車製造商很苦惱。

汽車製造商必須在提供先進、功能豐富的資訊娛樂系統和符合政府發佈的燃油效率標準之間取得平衡,而減輕現有電纜的重量,可大幅提高燃油效率。

現狀

傳統的汽車音訊ECU一般是透過單獨的類比電纜或現有的數位匯流排架構所連接,而這兩者都存在著侷限性、低效率及不必要的費用等。使用類比傳輸線的汽車音訊系統需要專用且昂貴的遮罩電纜,來傳輸多通道音訊訊號。在如今支援多通道(5.1或7.1)Dolby或DTS解碼的高級音響系統中,所需電纜的數量迅速增加。同時,額外的類比數位轉換器(ADC)和數位類比轉換器(DAC)不僅會增加系統總成本,而且還可能使某些音訊性能下降。

當代資訊娛樂系統中已經廣泛採用MOST或乙太網路EAVB等數位匯流排標準,這是因為這些標準能夠大幅簡化類比建置方案的連接複雜性。然而,MOST和乙太網路EAVB雖然能夠提高性能和靈活性,但需要加入高價格的微控制器來實施相關軟體協定堆疊,而進一步增加了系統成本。此外,這些數位匯流排架構本身對節點之間的延遲存在著不確定性。對於ANC/RNC和ICC等易受延遲影響的應用,現有的數位匯流排架構存在的根本缺陷,是其不能被接受的。

汽車音訊匯流排簡介

汽車音訊匯流排(或A2B)是ADI的一項創新、為應用而生的技術。事實證明,該技術最多能夠將整體電纜重量減輕75%,而且還能提供高保真的數位音訊。A2B特別針對音訊應用而進行了最佳化,相較於類比音訊匯流排,其不僅能夠提供出色的音訊品質,而且系統總成本遠低於現有的數位匯流排標準。簡單來說,A2B是一種高頻寬(50Mbps)數位匯流排,它能夠在非常長的距離上(節點間的距離最長達15m,整個菊鏈長度超過40m),使用一條非遮罩雙絞線將I2S音訊、I2C控制資料、時脈和供電一起傳輸。

汽車音訊匯流排基本特性

AD2427W和AD2426W共同組成了最新的增強型A2B收發器系列,且腳位相容。這種最新型的產品支援採用單主機的菊鏈,以及最多10個從機節點,與第一代A2B產品相比,其性能提升了20%(圖1)。借助這種菊鏈能力,A2B匯流排距離最長可達40m,單個節點之間的最長距離可達15m。用串列拓撲結構代替環狀拓撲結構是A2B技術中一個重要的元素,對整體系統完整性和穩定性至關重要。如果A2B菊鏈的一個節點受到影響,整個網路不會崩潰,只有故障節點下游的節點會受到影響。而A2B技術特有的內嵌診斷功能,能夠判斷故障的來源和起因,進而發出中斷訊號,並啟動保護措施。

20190312TA71P1 圖1 A2B汽車音訊匯流排功能框圖。

相較於現有數位匯流排架構,A2B主從線拓撲結構本身更為高效。啟動簡單的匯流排初始化流程之後,無需更多處理器干預,匯流排即可常規運作。A2B的獨特架構帶來的一個附加優點是,系統延遲是確定的(2個時脈週期的延遲),並且延遲與音訊節點在A2B匯流排上的位置無關。此特性對ANC/RNC和ICC等語音和音訊應用極其重要,在這些應用中,必須以時序一致的方式處理多個遠端感測器的音訊樣本。

A2B收發器可在一條非遮罩雙絞線上傳輸音訊、控制、時脈和供電訊號。這可降低系統總成本,原因如下:

˙相較於傳統建置方案,其可減少物理線纜的數量;

˙實際採用的線纜可以是成本更低、重量更輕的非遮罩雙絞線,而非更昂貴的遮罩電纜;

˙最重要的是,對於特定的應用場景,A2B技術可提供小功率的供電,將不超過300mA的電流傳輸至A2B菊鏈上的音訊節點。有了這個小功率供電傳輸,便無需在音訊ECU上使用本地電源,從而進一步降低系統成本。

A2B技術提供的50Mbps匯流排頻寬最多可支援32個使用標準音頻採樣速率(44.1kHz、48kHz)和位元寬(12位元、16位元、24位元)的上行和下行音訊通道。這可為多種音訊I/O設備提供相當高的靈活性和連線性。在音訊ECU之間維持全數位音訊訊號鏈可保證最高品質的音訊品質,不會因ADC/DAC轉換造成音訊性能下降。

如前所述,系統級診斷功能是A2B技術的一個重要元素。在所有A2B節點上,都能夠判斷多種故障狀況,包括開路、電線短路、電線反接、電線短路至電源或地。從系統完整性角度看,該功能非常重要,因為在出現開路、電線短路或電線反接等故障時,故障點上游的A2B節點仍然能夠正常工作。診斷功能還提供高效隔離系統級故障的能力,從汽車經銷商/安裝人員的角度來看,這一點是至關重要的。

使用SigmaStudio圖形化開發環境(與支援ADI SigmaDSP和SHARC處理器系列的開發工具相同)可大幅簡化採用A2B的系統的設計過程。SigmaStudio透過工具鏈初始化A2B網路,並配置所有暫存器。SigmaStudio環境中還包含A2B匯流排頻寬計算器和誤碼率測試器(BERT),ADI還提供眾多的全功能評估套件,可快速完成實際A2B網路的原型設計,從而加快系統方案早期驗證和測試、驗證和調試過程。

目標市場與應用

眾多成熟和新興的市場應用將因A2B技術而受益。目標應用包括:

˙音訊ECU(車載音響主機、高階音訊功率放大器)連接;

˙用於免持通話/語音辨識/車內通訊的麥克風陣列;

˙主動降噪、路噪主動降噪;

˙個人音區分區/主動揚聲器;

˙eCall和遠端資訊處理系統、自動駕駛系統、自動停車系統;

˙生命體徵監測;

˙智慧無線電連接。

音訊ECU連接是一個成熟、具有吸引力的應用領域。眾多量產汽車中已部署採用A2B。在音響主機連接至高階音訊功放的簡單例子中(圖2),A2B無需使用多條線纜來連接多通道音訊、導航、手機和提示音,並可將所有相關線纜替換為低成本的非遮罩雙絞線,這種透過A2B進行的連接方式已經過測試和驗證,符合最嚴格的汽車EMC和EMI相容性要求。

20190312TA71P2 圖2 車內的A2B汽車音訊匯流排示例。

高效、經濟的麥克風連接是設計中的優先考慮因素,而其也促成了多種使用案例和應用。藍牙連線性和免持/語音辨識系統已成為標準配置,在某些地區緊急呼叫eCall系統已成為強制要求。從車廠的角度來看,趨勢是朝向單獨或以模組為單位進行裝配的多麥克風(2~4個)系統發展。無論何種情況,採用A2B技術的系統總成本遠低於類比連接產生的成本,在多麥克風陣列中尤為如此,所有A2B收發器均支援多達四個PDM麥克風接入,從而在4個麥克風陣列中,節省了傳統連接方式中的3根麥克風線。

路噪主動降噪是更加廣泛的ANC應用領域的衍生產品,許多汽車製造商正在評估這項應用。在寬頻ANC中,可抵消與參考輸入諧波相關的聲音,以及部分非諧波相關或隨機的聲音。這些參考輸入一般透過實體分佈在車身周邊的加速度感測器提供,最常見於4個懸掛中。寬頻ANC系統的其他輸入可來自error麥克風——也分佈於汽車內部,例如在每個需要產生安靜區的乘客位置上進行佈置。從每個加速度計/麥克風到寬頻ANC處理單元的連接,傳統實施方案採用類比連接,顯然,其接線成本、複雜性均過高,同時處理單元上的連接器區域也需要很大。而這些問題均可透過A2B方案獲得解決。

對於需要經濟高效的感測器連接的新興應用而言,A2B也可以被視為一項具有推動作用的技術。自動駕駛、生命體徵監測和自動停車系統等應用預計於2020年開始量產,而這些應用都能從A2B技術提供的特性、功能、便捷性和快速上市等優勢中獲益。

總結

A2B是一種數位匯流排架構,能夠為接線集中的音訊和控制應用提供一系列最佳化,還能提高系統性能和降低系統成本。