陣列麥克風(fēng)間距和音頻帶寬與采樣速率之間的關(guān)系值得進(jìn)一步討論。寬帶高清語音使用16 kHz的采樣速率，這是語音傳輸?shù)牧己眠x擇。當(dāng)前16 kHz寬帶采樣速率與早前窄帶系統(tǒng)所使用的8 kHz采樣速率相比，在語音質(zhì)量和語音清晰度方面差異巨大。由于語音識(shí)別提供商的推動(dòng)，對(duì)更高采樣速率（如24 kHz或32 kHz）的需求不斷增長(zhǎng)。語音頻段應(yīng)用可能要求高達(dá)48 kHz的采樣速率，這通常是主系統(tǒng)音頻采樣速率。底層動(dòng)機(jī)是避免在內(nèi)部進(jìn)行采樣速率轉(zhuǎn)換。然而，支持這些高采樣速率所需的額外計(jì)算資源與其產(chǎn)生的實(shí)際效果并不相稱，因此現(xiàn)在廣泛接受16 kHz或24 kHz作為大多數(shù)語音頻段應(yīng)用的推薦采樣速率。
對(duì)于波束成型應(yīng)用，高采樣速率是有問題的，因?yàn)樵陬l率等于聲速除以麥克風(fēng)間距兩倍的地方會(huì)發(fā)生空間混疊。在這種混疊頻率無法進(jìn)行波束成型，因此不希望發(fā)生空間混疊。如果將麥克風(fēng)間距限制在21 mm或更小，則可以避免寬帶系統(tǒng)（16 kHz采樣速率）中發(fā)生空間混疊。如果采樣速率更高，則間距需要更小才能避免空間混疊。然而，麥克風(fēng)間距過小也不行，因?yàn)辂溈孙L(fēng)容差，特別是麥克風(fēng)傳感器的內(nèi)在（非聲學(xué)）噪聲會(huì)成為問題。如果間距很小，一個(gè)陣列的麥克風(fēng)之間的干擾（如內(nèi)在噪聲）和靈敏度偏差可能會(huì)壓倒麥克風(fēng)之間的信號(hào)差異，導(dǎo)致信號(hào)差異變得微不足道。在實(shí)踐中，麥克風(fēng)間距不應(yīng)小于10 mm。
A2B 技術(shù)概述
A2B技術(shù)專門用來簡(jiǎn)化新興汽車麥克風(fēng)和傳感器密集型應(yīng)用的連接挑戰(zhàn)。從實(shí)現(xiàn)角度看，A2B是單個(gè)主器件、多個(gè)子節(jié)點(diǎn)（最多10個(gè)）的串行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前全面量產(chǎn)的第三代A2B收發(fā)器系列有五個(gè)成員，全部都提供汽車、工業(yè)和消費(fèi)電子溫度范圍。全功能AD2428W與四款功能減少、成本更低的衍生器件—AD2429W、AD2427W、AD2426W和AD2420W——構(gòu)成ADI公司最新的引腳兼容增強(qiáng)型A2B收發(fā)器系列。
AD2427W和AD2426W的功能有所減少（僅用于子節(jié)點(diǎn)），主要針對(duì)免提、ANC/RNC或ICC等麥克風(fēng)連接應(yīng)用。AD2429W和AD2420W是入門級(jí)A2B衍生器件，相對(duì)于全功能器件具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，特別適合于汽車eCall和多元件麥克風(fēng)陣列等成本敏感的應(yīng)用。表1比較了各種第三代A2B收發(fā)器的特性。
AD242x 系列支持通過菊花鏈將單個(gè)主器件和最多10個(gè)子節(jié)點(diǎn)連接起來，總線總距離可達(dá)40米，各節(jié)點(diǎn)之間距離最長(zhǎng)可達(dá)15米。相比于現(xiàn)有環(huán)形/并行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，A2B的菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，對(duì)整體系統(tǒng)的完整性和魯棒性很有利。如果A2B菊花鏈的一個(gè)連接受到影響，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不會(huì)崩潰。只有故障連接下游的節(jié)點(diǎn)會(huì)受影響。A2B的嵌入式診斷可以確定故障的起因，發(fā)出中斷信號(hào)，并啟動(dòng)糾正措施。
與現(xiàn)有數(shù)字總線架構(gòu)相比，A2B的主器件-從節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身更為高效。啟動(dòng)簡(jiǎn)單的總線初始化流程之后，無需更多處理器干預(yù)，總線即可正常運(yùn)行。A2B的獨(dú)特架構(gòu)帶來的一個(gè)附加優(yōu)點(diǎn)是，系統(tǒng)延遲是完全確定的（小于50 µs），并且延遲與音頻節(jié)點(diǎn)在A2B總線上的位置無關(guān)。此特性對(duì)ANC/RNC和ICC等語音和音頻應(yīng)用極其重要，在這些應(yīng)用中，必須以時(shí)序一致的方式處理多個(gè)遠(yuǎn)程傳感器的音頻樣本。
所有A2B收發(fā)器都能在一條非屏蔽雙絞線上傳輸音頻、控制、時(shí)鐘和供電信號(hào)。這可降低系統(tǒng)總成本，原因如下。
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與傳統(tǒng)實(shí)施方案相比，減少了物理線纜的數(shù)量。
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實(shí)際采用的線纜可以是成本更低、重量更輕的非屏蔽雙絞線，而非更昂貴的屏蔽電纜。
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最重要的是，對(duì)于特定的應(yīng)用場(chǎng)景，A2B技術(shù)可提供總線供電能力，將不超過300 mA的電流傳輸至A2B菊花鏈上的音頻節(jié)點(diǎn)。有了這個(gè)總線供電能力，便無需在音頻ECU上使用本地電源，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。
A2B技術(shù)提供的總計(jì)50 Mbps總線帶寬最多可支持使用標(biāo)準(zhǔn)音頻采樣速率（44.1 kHz、48 kHz等）和位寬（16、24位）的至多51個(gè)上行和下行音頻通道。這可為廣泛的音頻I/O設(shè)備提供相當(dāng)大的靈活性和連接能力。在音頻ECU之間維持全數(shù)字音頻信號(hào)鏈可保證較高質(zhì)量的音頻品質(zhì)，不會(huì)因ADC/DAC轉(zhuǎn)換造成音頻性能下降。
開路、電線短路、電線反接、電線短路至電源或地。從系統(tǒng)完整性角度看，該功能非常重要，因?yàn)樵诔霈F(xiàn)開路、電線短路或電線反接等故障時(shí)，故障點(diǎn)上游的A2B節(jié)點(diǎn)仍然能夠正常工作。診斷功能還提供高效隔離系統(tǒng)級(jí)故障的能力，從汽車經(jīng)銷商/安裝人員的角度來看，這一點(diǎn)至關(guān)重要。
最近宣布的第四代A2B收發(fā)器AD243x是在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的發(fā)展，提高了關(guān)鍵功能參數(shù)（節(jié)點(diǎn)數(shù)增加到17，總線供電功率增加到50 W），同時(shí)添加了額外的SPI控制通道(10 Mbps)，為智能A2B節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程編程提供了高效的軟件空中更新(SOTA)能力。AD243x系列的新特性使其非常適合于新應(yīng)用，如超高級(jí)麥克風(fēng)架構(gòu)中裝有LED的麥克風(fēng)節(jié)點(diǎn)。
A2B麥克風(fēng)和傳感器在汽車行業(yè)中的應(yīng)用
從單個(gè)語音麥克風(fēng)到用于HF通信的多元件BF麥克風(fēng)陣列，從ANC到RNC，從ICC到警報(bào)聲檢測(cè)，麥克風(fēng)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用越來越多。依照技術(shù)和市場(chǎng)趨勢(shì)，如今上路行駛的幾乎每輛新車都配備了至少一個(gè)用于HF通信的麥克風(fēng)模塊。高級(jí)和豪華車可能有六個(gè)或更多麥克風(fēng)模塊，這是實(shí)現(xiàn)BF、AEC、ANC、RNC、ICC等的全部潛能所必需的，數(shù)字MEMS麥克風(fēng)在這些應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
越來越多的麥克風(fēng)給車輛信息娛樂系統(tǒng)工程師提出了一個(gè)重大挑戰(zhàn)——如何簡(jiǎn)化連接線束并使其重量最輕。對(duì)于傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)而言，這不是簡(jiǎn)單的任務(wù)。模擬麥克風(fēng)至少需要一對(duì)雙屏蔽線（接地和信號(hào)/電源）、引腳及連接器腔用于互連。電線量始終是系統(tǒng)中麥克風(fēng)模塊數(shù)量的兩倍。同時(shí)，連接每個(gè)麥克風(fēng)模塊所需的線材長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致線束總重量增加得更快。緩解此問題的一種簡(jiǎn)單方法是在多個(gè)應(yīng)用之間共享麥克風(fēng)信號(hào)，從而減少系統(tǒng)中使用的麥克風(fēng)數(shù)量。例如，同一麥克風(fēng)信號(hào)既可用于HF通信，也可以用作ANC系統(tǒng)中的Error輸入。但是，不同應(yīng)用可能需要不同的麥克風(fēng)特性。在前面提到的例子中，HF麥克風(fēng)信號(hào)常常更希望具有上升頻率響應(yīng)形狀（即靈敏度隨著頻率的降低而降低），以消除座艙內(nèi)的低頻噪聲內(nèi)容。這是一種有用且非常有效的技術(shù)，可以提高語音麥克風(fēng)傳遞的語音清晰度。相反，ANC麥克風(fēng)在低頻時(shí)需要足夠高的靈敏度水平，因?yàn)锳NC算法的主要目的是降低低頻噪聲。因此，為了讓一個(gè)模擬系統(tǒng)中的兩個(gè)應(yīng)用共享同一麥克風(fēng)，需要將來自麥克風(fēng)的信號(hào)饋送到不同電路中以進(jìn)行適當(dāng)?shù)念l率濾波。這種情況下可能形成一個(gè)或多個(gè)接地環(huán)路，從而可能造成嚴(yán)重的噪聲問題。
作為一種具有菊花鏈連接能力的數(shù)字總線，A2B技術(shù)與數(shù)字MEMS麥克風(fēng)一起提供一種多麥克風(fēng)信號(hào)互連和/或共享解決方案，非常適合滿足車輛中迅速擴(kuò)張的音頻、語音、噪聲消除和其他聲學(xué)應(yīng)用的需求�？紤]一種虛構(gòu)但有示范意義的情況：某個(gè)汽車應(yīng)用需要一個(gè)HF麥克風(fēng)模塊、一個(gè)ANC麥克風(fēng)模塊和由兩個(gè)用于BF的麥克風(fēng)元件組成的簡(jiǎn)單陣列麥克風(fēng)模塊，所有三個(gè)模塊都集成在頂燈模組周圍。圖3a和3b分別顯示了如何利用傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)和數(shù)字A2B系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)。
由于模擬系統(tǒng)不能輕松支持麥克風(fēng)共享，因此每個(gè)應(yīng)用模塊（HF、ANC和BF）需要專用麥克風(fēng)和單獨(dú)的線束來連接相應(yīng)的功能電路。這導(dǎo)致需要四個(gè)單獨(dú)的麥克風(fēng)元件和三組線束（總共七根線加屏蔽）。另一方面，數(shù)字A2B系統(tǒng)則能輕松支持共享信號(hào)，所以麥克風(fēng)元件的數(shù)量可以從四個(gè)減少到兩個(gè)。在這個(gè)具體例子中，由兩個(gè)寬帶全向麥克風(fēng)元件組成的單個(gè)麥克風(fēng)模組可用來提供兩個(gè)聲學(xué)信號(hào)通道，滿足所有應(yīng)用模塊的需求。一旦這兩個(gè)通道的信號(hào)通過簡(jiǎn)單的UTP線到達(dá)中央處理單元（例如音響主機(jī)或獨(dú)立功放），就可以共享并進(jìn)行數(shù)字處理以支持HF、ANC和BF應(yīng)用。
雖然圖3所示的例子可能不代表實(shí)際情況，但它清楚展示了A2B技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)模擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。A2B技術(shù)等數(shù)字音頻總線系統(tǒng)解決了汽車制造商的挑戰(zhàn)，使它們可以提出新的音頻和聲學(xué)相關(guān)概念來增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，并支持將這些概念更快推向市場(chǎng)。
實(shí)際上，A2B技術(shù)的商業(yè)化已經(jīng)使得汽車市場(chǎng)的許多應(yīng)用成為可能，其中既有新應(yīng)用，也有以前難以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。例如，汽車音頻解決方案的較領(lǐng)先提供商Harman International開發(fā)了一系列數(shù)字麥克風(fēng)和傳感器模塊，其利用A2B系統(tǒng)來賦能各種汽車應(yīng)用。圖4顯示了一些常見的汽車A2B麥克風(fēng)和傳感器以及它們?nèi)绾斡糜谄嚿稀＿@些傳感器包括：?jiǎn)蝹�(gè)A2B麥克風(fēng)，用于ANC和語音通信的多元件麥克風(fēng)陣列，用于RNC的A2B加速度計(jì)，外部安裝的保險(xiǎn)杠A2B麥克風(fēng)，以及用于緊急警報(bào)檢測(cè)和聲學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)的車頂A2B麥克風(fēng)陣列。在這些A2B麥克風(fēng)和加速度計(jì)的賦能下，越來越多需要多傳感器輸入的應(yīng)用解決方案正在開發(fā)當(dāng)中，以進(jìn)一步增強(qiáng)汽車行業(yè)的用戶體驗(yàn)。
總結(jié)
未來的車輛架構(gòu)將越來越依賴于麥克風(fēng)和加速度計(jì)之類的高性能聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)。包括傳感器、互連和處理器的完全數(shù)字化方法可帶來重要的性能和系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)。ADI公司正與Harman International合作提供經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，以為最終客戶創(chuàng)造價(jià)值并實(shí)現(xiàn)差異化。
