2019年03月26日 | 汽车音频工程师的DSP开发方法论

当“汽车”与“电子”这两个词开始出双入对，就注定了DSP成为乘客的命运，毕竟哪里有电子，哪里就大概率有数字信号，而哪里有数字信号，哪里就是DSP的舞台。如今，DSP已经广泛应用于汽车的各个功能。比如在发动机上，DSP可获取并分析各气缸内压力数据，然后输出控制信号，使发动机处在最佳点火时刻和空燃比的状态；在底盘上，DSP可获取ABS系统数据，进而保证车辆的稳定性；在安全气囊上，DSP可以实现对点火电流的反馈控制，使安全气囊在准确的时间点展开；在新能源汽车上，DSP可对电池进行管理……

随着汽车电子的发展，DSP在汽车上的应用场景越来越多。而汽车上有一个较为传统的应用场景，也随着DSP技术的发展而不断进化，那就是影音娱乐。早在1923年，美国首先在轿车内装配了无线电收音机，此后电子技术不断发展，DSP逐渐介入汽车的音频系统，汽车音频的音质得以不断提升。

而在音频DSP处理器设计方面，ADI的江湖地位因为其独特的SHARC、 Blackfin和SigmaDSP多个系列产品独具一席，尤其SigmaDSP处理器，当属设计汽车音频系统的理想之选。今天就为大家介绍下该系列产品，及其专用的图形开发工具SigmaStudio。

基于SigmaStudio的DSP开发，就像玩“连连看”

SigmaDSP系列处理器是完全可编程的单芯片音频DSP，可与集成式采样速率转换器、模数转换器、数模转换器和输出放大器封装在一起，大幅减小了电路面积与设计复杂度，非常适合便携式音频产品和汽车音频系统选用。

而借助与该系列产品搭配使用的编程、开发和调试软件SigmaStudio图形开发工具，完全没有DSP编程经验的工程师也能顺畅使用，更有工程师朋友将使用SigmaStudio进行研发比作玩“连连看”。

这位工程师具体是这样描述SigmaDSP的开发过程的：在SigmaStudio里连连看原理图，调效果，生成可执行文件，通过usbi down到DSP中，看效果，完毕。不需要你写一行代码，也不需要你配一个寄存器，所有的应用软件全部模块化，用图形化编程工具玩连连线，就可以完成整个应用的开发。开发人员需要考虑的仅仅是芯片性能如何，价格怎样，软件中是否有我想要的音效模块，仅此而已。

SigmaStudio简化设计，从“零经验”开始DSP开发

SigmaStudio可将常见的音频处理模块连接成原理图，进而编译产生可供DSP使用的代码和用于设置、调整参数的控制界面。利用该工具，没有编写DSP代码经验的工程师能够轻松地在其设计中实现DSP功能，同时该工具足够强大，可以满足有经验DSP设计人员的需求。

SigmaStudio界面示意

SigmaStudio不仅提供基本的底层DSP功能和控制模块，而且包括丰富的算法库，能够执行滤波、混频、动态处理等音频处理功能。标准库中包括增强立体声采集和风噪检测等先进的录音端处理算法。ADI公司和第三方开发商的插件算法可以通过拖放方式添加到SigmaStudio的算法库中。

除了图形化DSP信号流开发外，SigmaStudio还具有其它特性，可缩短从概念到发布的产品设计周期。SigmaStudio中的工具能够直观地设置控制寄存器，计算滤波器系数表，以可视化方式显示滤波器幅度和相位响应，产生C头文件，顺次执行一系列控制功能，从而简化用户从SigmaStudio到通过微控制器实现系统的转换过程。

SigmaStudio的历史可以追溯到2005年，ADI推出SigmaDSP数字音频处理器AD1940和AD1941的时间点。在这两款产品中，ADI首次设计了图形化DSP的拖拽功能。基于无DSP的编程理念，SigmaStudio采用了“拖拽”接口，使设计者能够通过选择音量调节、交叉口、专业级的动态处理等功能模块轻易地建立起多通道的数字音频平台。

而后SigmaStudio经历了数次升级。假如安装SigmaStudio for SHARC扩展件，SigmaStudio还可支持ADI SHARC系列DSP处理器。SHARC系列与SigmaDSP系列的主要区别在于，SHARC是浮点DSP处理器，而SigmaDSP则多使用定点算法。SHARC系列也常用于汽车音频系统，定位高端。前不久，比亚迪就宣布采用 ADI 公司的A2B汽车音频总线及 SHARC数字信号处理器，以打造能效更高、更节能环保的汽车平台，提升驾乘人员的沉浸式车载音频信息娱乐体验。

小技巧：减少汽车音频系统噪音

与便携式设备不同，车载音响系统配有高功率放大器，每个功放能够提供高达40 W-50 W功率，每辆汽车至少有四个扬声器。由于功率较大, 噪底很容易被放大，使得人耳在安静的环境下就能感受到。使用SigmaDSP，可以有效减少汽车音频系统因高功率而产生的噪音，同时不增加系统成本。

ADAU1401是SigmaDSP产品系列的一员，包含完全可编程的28/56位音频DSP、ADC、DAC及类似微控制器的控制接口。这里以该款器件为例，讲解如何利用SigmaDSP减少汽车音频系统噪音。

下图是一个4扬声器车载音响系统的框图，其中ADAU1401 SigmaDSP处理器用作音频后处理器。除了采样、转换、音频信号数字处理和生成额外的扬声器通道以外，SigmaDSP处理器还具有通用输入/输出(GPIO)引脚可用于外部控制。微控制器(MCU)通过I2C接口与SigmaDSP处理器进行通信，模拟输出驱动一个采用精密运算放大器ADA4075-2的低通滤波器/缓冲器级。

SigmaDSP处理器与功率放大器之间的红色信号线控制功率放大器的静音/待机引脚。在正常默认工作模式下，开集GPIO1引脚通过10 kΩ上拉电阻设置为高电平(图中未标注)。ADAU1401具有均方根信号检测功能，可确定是否存在输入信号。当没有输入信号时，GPIO1变为低电平，功率放大器置于静音/待机模式，因而扬声器没有噪声输出，同时功放的待机功耗也很低。当检测到高于预定阈值（例如–45 dB）的输入信号时，GPIO1变为高电平，功率放大器正常工作。这时虽然噪底仍然存在，但由于信号的高信噪比(SNR)将其屏蔽，使它不易被人耳感知到。

电源开关期间，SigmaDSP处理器（而不是MCU）通过响应MCU的命令直接控制功率放大器的静音/待机。例如，在电源接通期间，来自MCU的控制信号通过I2C接口设置SigmaDSP处理器的GPIO1，使之保持低电平（静音），直到预定的电容充电过程完成，然后MCU将GPIO1设置为高电平，由此消除启动瞬变所引起的爆音。关闭电源时，GPIO立即变为低电平，使功率放大器处于静音/待机状态，从而消除电源切断时产生的爆音。

而SigmaStudio软件内置测量输入信号的均方根电平的算法，使用SigmaStudio图形开发工具，很容易设置均方根检测模块，并用它来控制GPIO状态。

SigmaStudio设置示意图