車(chē)載音頻領(lǐng)域的DSP時(shí)代

在汽車(chē)電子技術(shù)迅速發(fā)展的今天，音頻系統(tǒng)已經(jīng)成為每輛車(chē)不可缺少的部分。消費(fèi)者對(duì)音頻系統(tǒng)的要求是：具備更好的電臺(tái)接收效果；支持更多種類(lèi)的外加音源，比如DVD、SD卡、藍(lán)牙、數(shù)字廣播等；提供更加豐富的音效處理，比如SRS，Dolby 5.1等通常家庭音響才提供的效果。同時(shí)，配件廠(chǎng)商和設(shè)計(jì)公司希望能夠縮短開(kāi)發(fā)周期，以應(yīng)對(duì)音頻產(chǎn)品加速更新?lián)Q代的挑戰(zhàn)。

應(yīng)對(duì)之道

圖1是一個(gè)車(chē)載音頻系統(tǒng)的一般架構(gòu)圖。在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中，收音信號(hào)和音頻信號(hào)的處理是由核心模塊(IF/MPX Processor和Audio Processor)完成的，它的選型將決定系統(tǒng)最終的音效和可提供的功能。目前市場(chǎng)上常用的是模擬音頻處理器(ASP)和基于DSP核的音頻處理器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為DSP)。恩智浦半導(dǎo)體(NXP Semiconductors)推出的DSP芯片集收音(Radio)和音頻(Audio)處理功能于一體，并內(nèi)置ADC、DAC和音頻選擇電路，具有比ASP更好的性能和更高的可靠性。

下面從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)介紹對(duì)于市場(chǎng)挑戰(zhàn)的應(yīng)對(duì)之道。

硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)市場(chǎng)需求，DSP解決方案要在硬件設(shè)計(jì)上進(jìn)行四個(gè)方面的持續(xù)努力。

(1)提供更強(qiáng)的處理能力

隨著最終消費(fèi)者要求的提高，車(chē)載音頻系統(tǒng)中所需的信號(hào)處理能力正在急劇上升。恩智浦推出的一系列DSP芯片具備越來(lái)越強(qiáng)的處理能力。首先芯片內(nèi)置的可編程DSP核EPICS7A/B采用雙哈佛體系針對(duì)音頻應(yīng)用而優(yōu)化了設(shè)計(jì)。此外，在提高單一DSP核運(yùn)算速度的同時(shí)，在一顆芯片內(nèi)部引入了多核架構(gòu)，以進(jìn)一步增強(qiáng)芯片的處理能力。

在音頻處理中常碰到下面的運(yùn)算：

y = mx + b

這其中m和b稱(chēng)之為系數(shù)，x和y稱(chēng)之為數(shù)值。由于通常系數(shù)和數(shù)值對(duì)精度的要求不同，所以在設(shè)計(jì)上EPICS7A/B選擇了雙哈佛架構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為兩部分，24位位寬的XRAM主要用于存儲(chǔ)數(shù)值，12位位寬的YRAM主要用于存儲(chǔ)系數(shù)，指令存儲(chǔ)器PRAM為32位位寬。

SAF7730配備了5個(gè)DSP核，對(duì)音頻的處理可以支持6通道模式，用于同時(shí)處理DVD播放端輸出的3路I2S信號(hào)，這樣可以使駕駛者欣賞到Dolby 5.1聲道的美妙享受。

(2)DSP和前端調(diào)諧器更好的配合

對(duì)于收音處理，前端調(diào)諧器將接收到的電臺(tái)信號(hào)輸出到后端DSP，在DSP中進(jìn)一步完成解調(diào)、解碼和去除噪聲等處理。根據(jù)調(diào)諧器輸出的信號(hào)類(lèi)型不同(MPX/IF/Low IF)，恩智浦先后推出了DSP和調(diào)諧器產(chǎn)品的不同組合，可以供用戶(hù)選用。

通過(guò)DSP和相應(yīng)前端調(diào)諧器的配合，整個(gè)方案可以很好地實(shí)現(xiàn)干擾去除。在汽車(chē)這樣一個(gè)移動(dòng)環(huán)境中，臨近頻道干擾和多路徑干擾一直是影響收音信號(hào)接收質(zhì)量的難題。恩智浦通過(guò)“精確臨道抑制”(PACS)技術(shù)來(lái)消除前者，通過(guò)雙天線(xiàn)/雙調(diào)諧器應(yīng)用架構(gòu)和DSP內(nèi)嵌的Antenna/Phase Diversity軟件算法來(lái)抑制后者，取得了良好效果。

此外，通過(guò)DSP和相應(yīng)前端調(diào)諧器的配合，整個(gè)方案在完成RDS處理方面可以實(shí)現(xiàn)極高的效率。比如備選頻率切換(AF switch)是RDS的一個(gè)重要應(yīng)用，如果采用恩智浦的DSP/調(diào)諧器整體方案，由于調(diào)諧器芯片留有專(zhuān)用管腳和DSP通訊，切換過(guò)程可以不借助MCU，因而整個(gè)過(guò)程可以控制在毫秒級(jí)，對(duì)于使用者而言完全感覺(jué)不到電臺(tái)頻率的平滑切換。

(3)更高的集成度和更低的系統(tǒng)成本

恩智浦最近推出的SAF7780集成了4個(gè)DSP核和1個(gè)ARM7處理器，可以在單一芯片內(nèi)部完成收音、音頻處理、MP3/WMA解碼和主機(jī)控制的功能，未來(lái)還將支持USB和藍(lán)牙連接，客戶(hù)應(yīng)用它可以實(shí)現(xiàn)音頻系統(tǒng)所需要的大部分處理工作。

同時(shí)恩智浦不斷改進(jìn)技術(shù)以降低現(xiàn)有芯片的成本，比如從SAF7730到SAF7741，從SAF3550到SAF3555，都是在維持功能性能基本不變的情況下實(shí)現(xiàn)成本降低，最大限度地幫助客戶(hù)推出有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。

(4) 支持新應(yīng)用的可擴(kuò)展性

由于市場(chǎng)的多變，車(chē)載音頻系統(tǒng)必須要對(duì)未來(lái)的應(yīng)用給予足夠的擴(kuò)展支持。恩智浦的DSP芯片提供了豐富的模擬和數(shù)字接口，提供了不同數(shù)量的音頻A/D、D/A、I2S輸入、SPDIF、Host I2S輸入/輸出，以方便新的音源接入系統(tǒng)。

另外當(dāng)DSP芯片本身處理能力不足，或者客戶(hù)有特殊的需求(比如特殊的均衡處理)時(shí)，可以很方便地通過(guò)DSP芯片對(duì)外的接口連接協(xié)處理器，進(jìn)而擴(kuò)展處理能力?？紤]到數(shù)字廣播在未來(lái)的應(yīng)用前景，最近推出的SAF7730和SAF7780均對(duì)數(shù)字廣播應(yīng)用做了支持。

在SAF7730評(píng)估板上，相同的硬件接口通過(guò)插上不同的處理器模塊(如應(yīng)用于HD Radio的解碼器SAF355X和應(yīng)用于DRM的解碼器PNX952X)，即可支持不同的數(shù)字廣播應(yīng)用。

軟件設(shè)計(jì)

基于DSP 的解決方案中，用于實(shí)現(xiàn)算法的軟件已經(jīng)固化在芯片內(nèi)部，客戶(hù)需要做的就是運(yùn)行于MCU中控制程序的開(kāi)發(fā)。通過(guò)控制軟件的模塊化設(shè)計(jì)，客戶(hù)可以很容易地實(shí)現(xiàn)功能裁減、復(fù)用和擴(kuò)展。在軟件方面，恩智浦的DSP解決方案有兩個(gè)特點(diǎn)。

(1)從寄存器設(shè)置轉(zhuǎn)向分層結(jié)構(gòu)API編程

從軟件設(shè)計(jì)的角度，目前音頻處理器的應(yīng)用幾乎都是采用寄存器操作的方式。隨著芯片功能越來(lái)越豐富，動(dòng)輒上百個(gè)甚至更多的寄存器和復(fù)雜的讀寫(xiě)流程讓?xiě)?yīng)用開(kāi)發(fā)者花費(fèi)大量的時(shí)間學(xué)習(xí)消化。在未來(lái)的解決方案中，提供給用戶(hù)的應(yīng)當(dāng)是簡(jiǎn)單易操作的函數(shù)接口，而不僅僅是一組寄存器列表和文字定義。

以SAF7780為例，SAF7780是 ARM+DSP架構(gòu)，對(duì)于客戶(hù)開(kāi)發(fā)控制程序而言，可以不需要操作到寄存器一級(jí)，芯片本身提供了SDK，直接通過(guò)調(diào)用API的接口函數(shù)就可以編程實(shí)現(xiàn)，從而使軟件開(kāi)發(fā)變的更加簡(jiǎn)單。對(duì)于客戶(hù)而言，只需要根據(jù)自己的系統(tǒng)需求完成應(yīng)用層的編程開(kāi)發(fā)，即可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)應(yīng)用的軟件控制。

(2)開(kāi)放架構(gòu)，可嵌入第三方和客戶(hù)定制組件

隨著車(chē)載音頻系統(tǒng)變得越來(lái)越多樣化、個(gè)性化，軟件也必須提供一個(gè)靈活開(kāi)放的架構(gòu)，以便加入客戶(hù)所需的特定功能。
恩智浦首先和第三方音效軟件商合作，如Dedekind、SRS，在DSP芯片中植入各種廣受歡迎的音效模塊和相應(yīng)的激活密鑰，為有需要的客戶(hù)開(kāi)發(fā)此類(lèi)功能提供更多便利，而無(wú)此需要的客戶(hù)也無(wú)需承擔(dān)相應(yīng)的成本；另外對(duì)于大客戶(hù)，恩智浦的DSP芯片可以進(jìn)行版本定制，即嵌入客戶(hù)特定要求的軟件組件，以最大限度地貼近客戶(hù)的實(shí)際需要。

結(jié)束語(yǔ)

車(chē)載音頻領(lǐng)域正在經(jīng)歷一個(gè)前所未有的技術(shù)變革，數(shù)字廣播、后座娛樂(lè)、有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)連接都成為市場(chǎng)現(xiàn)有或者潛在的需求。傳統(tǒng)的模擬音頻系統(tǒng)主要通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)功能，在新應(yīng)用的挑戰(zhàn)下已經(jīng)越來(lái)越難以滿(mǎn)足未來(lái)的市場(chǎng)，而如前面所述，基于DSP方案將會(huì)顯示出越來(lái)越多的技術(shù)優(yōu)越性。