打造身臨其境的汽車音頻體驗

從 1930 年代汽車音響作為簡單的 AM 儀表板噪聲源開始，到今天完全沉浸式、多揚聲器、數(shù)百（甚至數(shù)千）瓦的劇院式環(huán)境，這是一段非凡的旅程。

早期的高端汽車音響是一個利基市場，由少數(shù)發(fā)燒友推動，他們尋求為輪式環(huán)境帶來更好的聲音體驗。最終，隨著音頻技術的進步，小眾音頻市場很快采用了它。今天，幾乎入門級的車輛擁有某種形式的優(yōu)質(zhì)音頻環(huán)境。

然而，這段旅程并非沒有挑戰(zhàn)。隨著系統(tǒng)功率的增加，音頻放大器的占用空間變得笨重。AB 類放大器需要大量的車輛功率和越來越大的熱管理解決方案。因此，設計師開始尋找新的方向，以吸引電力怪物，尤其是對于每一瓦特都寶貴的電動汽車。

一些組件（如 RF 前端和前置放大器）是高度集成的，并且具有相對較小的尺寸和功率要求。它們不會特別挑戰(zhàn)空間或功率限制。但是，高功率 AB 類音頻放大器可以。它們是效率相對較低的設備，最大的音頻系統(tǒng)組件（揚聲器除外）是更高效的音頻系統(tǒng)設計面臨的主要挑戰(zhàn)。

第二個挑戰(zhàn)是機艙環(huán)境。除了這些高功率系統(tǒng)之外，還需要改進機艙以獲得更好的聲學特性。

應用物理聲學解決方案有其局限性。物理材料只會增加重量并占用空間，這是不切實際的。因此，設計師再次尋求技術解決方案。

他們通過 D 類放大器和高度集成的微控制器找到了它們。讓我們深入了解一下設計師如何將汽車音響發(fā)展成當今的沉浸式系統(tǒng)。

首先是音頻放大器

多年來，主打產(chǎn)品是 AB 類音頻放大器。它的模擬輸出設計允許該設備直接連接到揚聲器，電路中除了電容器之外什么都沒有。然而，隨著電力需求的增加，AB 類變得笨拙。高功率系統(tǒng)的冷卻和電源要求導致占用空間大，需要強大的熱管理，即大型散熱器、良好的通風和大量可用電力——在許多輪式環(huán)境中都是寶貴的商品。

設計人員決定用 D 類電路取代根深蒂固、效率適中（通常為 50% 至 70%）的 AB 類電路。D 類是一個理想的解決方案。這是一個交換平臺，效率更高（超過 90%）。D 類的效率意味著放大器使用更少的功率并產(chǎn)生更少的熱量，從而實現(xiàn)更小、更耗電的占用空間。

然而，有一個陷阱（當然）。雖然 D 類電路已經(jīng)克服了早期的音質(zhì)問題，但它們的數(shù)字信號無法直接連接到揚聲器。此外，該信號包含不可接受的紋波量。這意味著在放大器和揚聲器的輸出之間需要額外的組件。一種簡單、經(jīng)濟高效的解決方案是通過 L/C 濾波器耦合揚聲器。此濾波器提供適當?shù)妮敵鲂盘柡蜑V波。

然而，放大器的高功率輸出使 L/C 元件變得很大，尤其是串聯(lián)電感器。每個音頻通道需要兩個電感器。需要一個更好的解決方案。

該設計采用新型 D 類音頻放大器，具有較慢的開關速度 （2.1 MHz） 和專有的單電感器 （1L） 調(diào)制技術。通過取消一個電感并重新設計剩余的電感，這種創(chuàng)新設計允許使用更小、更具成本效益的電路（圖 1）。這滿足了優(yōu)質(zhì)音頻的高功率需求，優(yōu)化了空間和成本。

圖1. 省去一個電感器并重新設計剩余的電感器，從而實現(xiàn)了更緊湊的 D 類放大器。管理小屋

設計師接下來解決了機艙環(huán)境問題。如前所述，為聲學環(huán)境管理添加物理介質(zhì)不是一個可接受的解決方案。這種材料的空間很小，它只是增加了更多的重量。

因此，唯一的選擇是用技術來補償環(huán)境。這以最先進的、高度集成的汽車處理器的形式出現(xiàn)，例如 AM62D-Q1 處理器和 AM275x-Q1 微控制器 （MCU）。

微控制器在高端音頻系統(tǒng)中已經(jīng)使用了一段時間。典型設計采用分布在多個傳感器和麥克風上的多個 IC、MCU 和數(shù)字處理器 （DSP）（圖 2）。雖然實現(xiàn)了預期的結(jié)果，但這會導致系統(tǒng)復雜性、占用空間和成本增加。

圖2. 典型的音頻系統(tǒng)設計采用分布在多個傳感器和麥克風上的多個 IC、MCU 和數(shù)字處理器。

為了解決這種分布式架構(gòu)問題，設計人員轉(zhuǎn)向了通過傳統(tǒng)算法和基于 AI 的算法增強的下一代 MCU。這些設計與高性能音頻放大器 IC （TAS6754-Q1） 和電源管理 IC （TPS65224-Q1） 相結(jié)合，實現(xiàn)了降低成本和復雜性的目標（圖 3）。

圖3. 開發(fā)先進的分布式架構(gòu)通常涉及整合通過傳統(tǒng)和基于 AI 的算法增強的下一代 MCU，以及高性能音頻放大器 IC （TAS6754-Q1） 和電源管理 IC （TPS65224-Q1）。

這種單芯片架構(gòu)通過將多個高端音頻功能整合到單個集成電路中，大大簡化了音頻系統(tǒng)設計。這項創(chuàng)新減少了對多個芯片組件的依賴，這既使制造復雜化又增加了成本。單芯片解決方案可提高性能，最大限度地降低功耗，并簡化整體系統(tǒng)架構(gòu)。

真實世界的可見性

使用這些集成組件實現(xiàn)系統(tǒng)設計不僅使其更簡單，而且還在車輛性能和功能方面提供了許多特性和增強功能。

首先，它可以提高安全性。這種基于 AI 的系統(tǒng)能夠分析車輛的內(nèi)部和外部環(huán)境。外部揚聲器可以提醒行人附近有車輛。而且，特別是對于電動汽車，它們會模擬機艙內(nèi)的發(fā)動機聲音。

另一個功能是系統(tǒng)可以定制聲音的發(fā)源位置，例如減少外部揚聲器并將聲音路由到駕駛員后面的頭枕以進行電話呼叫。

可擴展性是另一個好處。集成系統(tǒng)使添加功能或升級變得更加簡單。只有一個中心組件需要處理。

結(jié)論

隨著組件變得更加先進和集成，汽車音響將繼續(xù)飆升至新的高度。車輛已經(jīng)與通信、無線網(wǎng)絡、交通基礎設施、衛(wèi)星等集成在一起。車輛音響將變得更加身臨其境，同時監(jiān)控內(nèi)部和外部的環(huán)境，并提供一個在許多不同元素之間緊密相連的座艙音響環(huán)境。