简介
这篇关于Automotive Audio Bus® (A2B®，汽车音频总线）技术的文章介绍数字麦克风和连接技术的最新进展。这些创新正在促使支持新世代汽车信息娱乐系统的变革性应用得到迅速采用。
市场和应用概况
数字MEMS麦克风的技术和性能优势
图1.不同BF算法的极性衰减特征。
图2.不同BF算法的波束内（虚线）和波束外（粗线）频率响应。
A2B 技术概述
A2B技术专门用来简化新兴汽车麦克风和传感器密集型应用的连接挑战。从实现角度看，A2B是单个主器件、多个子节点（最多10个）的串行拓扑结构。目前全面量产的第三代A2B收发器系列有五个成员，全部都提供汽车、工业和消费电子温度范围。全功能AD2428W与四款功能减少、成本更低的衍生器件—AD2429W、AD2427W、AD2426W和AD2420W——构成ADI公司最新的引脚兼容增强型A2B收发器系列。
AD2427W和AD2426W的功能有所减少（仅用于子节点），主要针对免提、ANC/RNC或ICC等麦克风连接应用。AD2429W和AD2420W是入门级A2B衍生器件，相对于全功能器件具有显著的成本优势，特别适合于汽车eCall和多元件麦克风阵列等成本敏感的应用。表1比较了各种第三代A2B收发器的特性。
表1.A2B收发器特性比较
| 特性 | AD2420/ AD2420W | AD2426/ AD2426W | AD2427/ AD2427W | AD2428/ AD2428W | AD2429/ AD2429W |
|---|---|---|---|---|---|
| 支持主节点 | 否 | 否 | 否 | 是 | 是 |
| 可发现的子节点数 | — | — | — | 最多10个 | 最多2个 |
| TRX功能模块 | 仅A | 仅A | A + B | A + B | 仅B |
| I2S/TDM支持 | 否 | 否 | 否 | 是 | 是 |
| PDM麦克风输入 | 2个麦克风 | 4个麦克风 | 4个麦克风 | 4个麦克风 | 4个麦克风 |
| 节点间最大线缆长度 | 5米 | 15米 | 15米 | 15米 | 5米 |
AD242x 系列支持通过菊花链将单个主器件和最多10个子节点连接起来，总线总距离可达40米，各节点之间距离最长可达15米。相比于现有环形/并行拓扑结构，A2B的菊花链拓扑结构是一个重要优势，对整体系统的完整性和鲁棒性很有利。如果A2B菊花链的一个连接受到影响，整个网络不会崩溃。只有故障连接下游的节点会受影响。A2B的嵌入式诊断可以确定故障的起因，发出中断信号，并启动纠正措施。
与现有数字总线架构相比，A2B的主器件-从节点拓扑结构本身更为高效。启动简单的总线初始化流程之后，无需更多处理器干预，总线即可正常运行。A2B的独特架构带来的一个附加优点是，系统延迟是完全确定的（小于50 µs），并且延迟与音频节点在A2B总线上的位置无关。此特性对ANC/RNC和ICC等语音和音频应用极其重要，在这些应用中，必须以时序一致的方式处理多个远程传感器的音频样本。
所有A2B收发器都能在一条非屏蔽双绞线上传输音频、控制、时钟和供电信号。这可降低系统总成本，原因如下。
- 与传统实施方案相比，减少了物理线缆的数量。
- 实际采用的线缆可以是成本更低、重量更轻的非屏蔽双绞线，而非更昂贵的屏蔽电缆。
- 最重要的是，对于特定的应用场景，A2B技术可提供总线供电能力，将不超过300 mA的电流传输至A2B菊花链上的音频节点。有了这个总线供电能力，便无需在音频ECU上使用本地电源，从而进一步降低系统成本。
A2B技术提供的总计50 Mbps总线带宽最多可支持使用标准音频采样速率（44.1 kHz、48 kHz等）和位宽（16、24位）的至多51个上行和下行音频通道。这可为广泛的音频I/O设备提供相当大的灵活性和连接能力。在音频ECU之间维持全数字音频信号链可保证较高质量的音频品质，不会因ADC/DAC转换造成音频性能下降。
开路、电线短路、电线反接、电线短路至电源或地。从系统完整性角度看，该功能非常重要，因为在出现开路、电线短路或电线反接等故障时，故障点上游的A2B节点仍然能够正常工作。诊断功能还提供高效隔离系统级故障的能力，从汽车经销商/安装人员的角度来看，这一点至关重要。
最近宣布的第四代A2B收发器AD243x是在现有技术基础上的发展，提高了关键功能参数（节点数增加到17，总线供电功率增加到50 W），同时添加了额外的SPI控制通道(10 Mbps)，为智能A2B节点的远程编程提供了高效的软件空中更新(SOTA)能力。AD243x系列的新特性使其非常适合于新应用，如超高级麦克风架构中装有LED的麦克风节点。
A2B麦克风和传感器在汽车行业中的应用
从单个语音麦克风到用于HF通信的多元件BF麦克风阵列，从ANC到RNC，从ICC到警报声检测，麦克风在汽车行业中的应用越来越多。依照技术和市场趋势，如今上路行驶的几乎每辆新车都配备了至少一个用于HF通信的麦克风模块。高级和豪华车可能有六个或更多麦克风模块，这是实现BF、AEC、ANC、RNC、ICC等的全部潜能所必需的，数字MEMS麦克风在这些应用中具有明显的优势。
越来越多的麦克风给车辆信息娱乐系统工程师提出了一个重大挑战——如何简化连接线束并使其重量最轻。对于传统模拟系统而言，这不是简单的任务。模拟麦克风至少需要一对双屏蔽线（接地和信号/电源）、引脚及连接器腔用于互连。电线量始终是系统中麦克风模块数量的两倍。同时，连接每个麦克风模块所需的线材长度会导致线束总重量增加得更快。缓解此问题的一种简单方法是在多个应用之间共享麦克风信号，从而减少系统中使用的麦克风数量。例如，同一麦克风信号既可用于HF通信，也可以用作ANC系统中的Error输入。但是，不同应用可能需要不同的麦克风特性。在前面提到的例子中，HF麦克风信号常常更希望具有上升频率响应形状（即灵敏度随着频率的降低而降低），以消除座舱内的低频噪声内容。这是一种有用且非常有效的技术，可以提高语音麦克风传递的语音清晰度。相反，ANC麦克风在低频时需要足够高的灵敏度水平，因为ANC算法的主要目的是降低低频噪声。因此，为了让一个模拟系统中的两个应用共享同一麦克风，需要将来自麦克风的信号馈送到不同电路中以进行适当的频率滤波。这种情况下可能形成一个或多个接地环路，从而可能造成严重的噪声问题。
作为一种具有菊花链连接能力的数字总线，A2B技术与数字MEMS麦克风一起提供一种多麦克风信号互连和/或共享解决方案，非常适合满足车辆中迅速扩张的音频、语音、噪声消除和其他声学应用的需求。考虑一种虚构但有示范意义的情况：某个汽车应用需要一个HF麦克风模块、一个ANC麦克风模块和由两个用于BF的麦克风元件组成的简单阵列麦克风模块，所有三个模块都集成在顶灯模组周围。图3a和3b分别显示了如何利用传统模拟系统和数字A2B系统来实现这种设计。
图3.(a) 采用模拟麦克风元件的模拟系统设计（屏蔽线）。(b) 采用数字麦克风元件的数字系统设计（A2B技术和UTP线）。
由于模拟系统不能轻松支持麦克风共享，因此每个应用模块（HF、ANC和BF）需要专用麦克风和单独的线束来连接相应的功能电路。这导致需要四个单独的麦克风元件和三组线束（总共七根线加屏蔽）。另一方面，数字A2B系统则能轻松支持共享信号，所以麦克风元件的数量可以从四个减少到两个。在这个具体例子中，由两个宽带全向麦克风元件组成的单个麦克风模组可用来提供两个声学信号通道，满足所有应用模块的需求。一旦这两个通道的信号通过简单的UTP线到达中央处理单元（例如音响主机或独立功放），就可以共享并进行数字处理以支持HF、ANC和BF应用。
虽然图3所示的例子可能不代表实际情况，但它清楚展示了A2B技术相对于传统模拟技术的优势。A2B技术等数字音频总线系统解决了汽车制造商的挑战，使它们可以提出新的音频和声学相关概念来增强用户体验，并支持将这些概念更快推向市场。
实际上，A2B技术的商业化已经使得汽车市场的许多应用成为可能，其中既有新应用，也有以前难以实现的应用。例如，汽车音频解决方案的较领先提供商Harman International开发了一系列数字麦克风和传感器模块，其利用A2B系统来赋能各种汽车应用。图4显示了一些常见的汽车A2B麦克风和传感器以及它们如何用于汽车上。这些传感器包括：单个A2B麦克风，用于ANC和语音通信的多元件麦克风阵列，用于RNC的A2B加速度计，外部安装的保险杠A2B麦克风，以及用于紧急警报检测和声学环境监测的车顶A2B麦克风阵列。在这些A2B麦克风和加速度计的赋能下，越来越多需要多传感器输入的应用解决方案正在开发当中，以进一步增强汽车行业的用户体验。
总结
未来的车辆架构将越来越依赖于麦克风和加速度计之类的高性能声学检测技术。包括传感器、互连和处理器的完全数字化方法可带来重要的性能和系统成本优势。ADI公司正与Harman International合作提供经济高效的解决方案，以为最终客户创造价值并实现差异化。
