基于用戶體驗的車載信息娛樂系統音頻架構設計

黃嘉桐 回姝 丁冠源 鄭紅麗

（中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013）

縮略語

A2B Automotive Audio Bus

IRQ Interrupt ReQuest

GPIO General-Purpose Input/Output

I2C Inter Integrated Circuit

SDA Serial Data

SCL Serial Clock Line

DSP Digital Signal Processing

A2DP Advanced Audio Distribution Profile

VR Voice Recognition

FM Frequency Modulation

AM Amplitude Modulation

0 引言

汽車行業向著智能化趨勢發展，在人車關系變革的時代，汽車成了用戶生活的“第三空間”，用戶對信息娛樂性的要求不斷提高，使車載信息娛樂系統在豐富車內娛樂生活方面發揮越來越重要的作用。

“聽覺”是駕乘人員高級感官之一，車載娛樂系統中的音頻娛樂系統是駕乘人員經常使用的車內設備，但是汽車音頻播放功能的局限，極大影響了車載娛樂系統性能的發揮[1]。汽車用傳統模擬音頻雙絞線對座艙內音頻信息傳輸容量有限，與此同時，傳統模擬音頻傳輸方式抗干擾能力差，線阻高，音頻傳輸衰減大，已經無法滿足用戶對高品質整車音效的追求。如何減少線束用量并提升信息傳輸效率，加強信號抗干擾性，提升音質及感官體驗是紅旗品牌及行業亟需解決的問題。

本文建立了一種基于數字音頻總線技術（Automotive Audio Bus, A2B）的音頻架構設計，通過車載信息娛樂音頻播放系統，實現多音源混合播放，基于用戶體驗的音源增益降低策略，旨在提高車載音頻播放系統的娛樂性和功能性，提高用戶體驗[2]。

1 音頻架構設計

信息娛樂系統的音頻鏈路主要由信息娛樂控制器、功率放大器（簡稱“功放”）以及音頻線束組成，在整體架構設計上，音源類型的區分以及音源的混音、增益策略均在信息娛樂系統中實現，功放主要用于音頻源的疊加及音效處理工作，下文通過硬件連接及軟件實現2個維度進行詳細闡述。

1.1 硬件連接方式

首先，需要建立車載信息娛樂系統和功率放大器間的音頻傳輸鏈路。信息娛樂控制器和功放直接建立連接，第一步先確保雙方硬件中的車載數字音頻（Automotive Audio Bus，A2B）芯片建立通信。其中，信息娛樂系統中的A2B 芯片作為主節點（Master），功放中的A2B芯片作為從節點（Slave），如圖1所示。

圖1 A2B鏈路連接方式

A2B芯片在控制器通電后，先完成自身初始化工作，同時A2B總線實時進行錯誤檢查。如果檢測到錯誤，A2B會通過中斷要求（Interrupt ReQuest,IRQ）中斷反饋給主芯片（System On Chip, SOC），SOC 通過讀取A2B芯片寄存器數據識別錯誤類型[3]。

整體系統接口如圖2 所示，信息娛樂系統和功放系統間由A2B線束連接。除傳遞音頻信息外，A2B總線協議支持串行總線（Inter Integrated Circuit, I2C）通信數據和輸入輸出信號（General-Purpose Input/Output,GPIO）數據透傳（圖2）[4]。

圖2 系統接口

1.2 通信方式

信息娛樂系統和功放系統間音頻鏈路的通信建立在A2B通道上。首先信息娛樂控制器側通過I2C總線控制A2B Master 設備，再通過A2B 總線透傳I2C 通信來控制A2B Slave設備[5]，主從設備建立連接后，2個控制器的通信即被打通。

I2C 總線數據信號線（Serial Data,SDA）和數據控制線（Serial Clock Line, SCL）信號線同時處于高電平時，總線屬于空閑狀態[6]。主機在SCL為高電平時，將SDA從高電平轉換為低電平，從而發出具有開始條件的傳輸開始信號[7]。主機完成與從機通信后，通過在SCL 為高電平時將SDA 從低電平轉換為高電平來發出停止條件，然后總線空閑以進行下一次傳輸。

接收方在應答時鐘脈沖期間拉低SDA，在時鐘脈沖高電平期間，SDA線穩定在低電平。當主設備向從設備發送數據時，由于從設備是接收方，因此從設備會生成確認位。當從設備發送到主設備時，主設備會生成確認位，因為主設備是接收方[8]。

A2B Master 和A2B Slave 數據傳輸過程中，I2C 寫數據傳輸格式如圖3 所示[9]。I2C 讀數據傳輸格式如圖4所示。

圖3 I2C寫數據傳輸格式[9]

圖4 I2C讀數據傳輸格式

1.3 系統軟件實現方式

1.3.1 音頻通路分配

信息娛樂控制器作為主節點通過A2B 總線連接整車功放。A2B 總線可傳輸上下行多路數字音頻信號，其中下行通道方向為信息娛樂控制器到功放，稱為A2B 播放主通道[10]；上行通道方向為功放到信息娛樂控制器，稱為回聲消除，參考音頻通道。

A2B 播放主通道為功放發聲的唯一數據通道，8路音頻詳細分配如表1所示。

表1 音頻通路聲道分配

A2B參考音頻通道是由于語音識別的要求，由功放將其末端輸出音頻截流，發回信息娛樂控制器進行回聲消除而設計的通道，信息娛樂控制器將8路音頻輸入給功放，功放將音頻處理，生成2 路參考音（左、右），反饋給娛樂主機，主機將參考音發送給回聲消除模塊[11]，如表2所示。

表2 參考音通路聲道分配[11]

信息娛樂系統支持4 路模擬信號麥克風，實現緊急救援電話（E Call）、一鍵電話救援（B Call）、人工座席電話（I Call）。麥克風分別安裝于車廂前左、前右、后左、后右，并支持4 音區的麥克風拾音，以實現4 音區定位。信息娛樂控制器連接此4路模擬信號麥克風，并將模擬信號通過編解碼器（Codec）芯片轉換為數字信號，傳輸到主芯片進行后續語音識別或藍牙電話功能輸入[12]。當E Call、B Call、I Call激活時，主駕駛位麥克風用于通話，以支持E Call、B Call、I Call的上行數據傳輸。而E Call、B Call、I Call的下行數據則以模擬信號的方式將音頻從無線網關（Telematics Box, T-Box）傳輸到信息娛樂控制器，并由Codec芯片進行模擬至數字信號轉換后，與麥克風通路合并傳至主芯片，最后由主芯片將此數據透傳到A2B播放主通道的電話聲道，最終由功放發出E Call、B Call、I Call下行聲音 。

藍牙電話通道包含2路音頻信號。

一路為藍牙電話下行信號，即從藍牙芯片傳輸至主芯片，再由主芯片的軟件模塊傳送至A2B播放主通道的電話聲道進行發聲。

另一路為藍牙電話的上行信號，即從麥克風輸入，經過藍牙軟件的回聲消除算法處理或通過數字信號處理（Digital Signal Processing,DSP），由主芯片回傳給藍牙芯片，最終到遠端手機發聲。

藍牙音樂通道則為單向通道，信息娛樂系統作接收端時，由藍牙芯片經過串行口傳輸至主芯片，并由主芯片傳送至A2B 播放主通道的多媒體聲道進行發聲。信息娛樂系統作發送端時，主芯片播放的音頻通過串口傳輸至藍牙芯片，經藍牙音頻傳輸（Advanced Audio Distribution Profile,A2DP）通道到藍牙耳機或音箱播放[14]。

1.3.2 音頻流仲裁

車載信息娛樂系統內音頻流眾多，除部分音頻流存在混合播放需求外，大多數音頻流在播出前，均需在系統內完成聲音仲裁工作，車內音頻流仲裁邏輯如圖5所示。

圖5 車內音頻流仲裁

儀表音頻流：根據汽車所處的狀態，儀表可能有不同的聲音播放需求。通過儀表內置的仲裁模塊，決定當前可以播放的音頻類型。分為儀表報警音和儀表提示音。這些音源通過儀表仲裁后轉交給中控進行2次仲裁，決定儀表音源是否可以通過汽車揚聲器播放。

中控音頻流：中控應用根據用戶輸入可以有不同的音源播放需要。音源包括電話音、導航音、語音識別音、多媒體播放音和收音機播放音。這些音源在中控仲裁下決定是否可以通過汽車揚聲器播放。

仲裁結果如果涉及到Slot 7和8時，中控需要發送對應的總線（Controller Area Network,CAN）信號值。

1.3.3 混音策略

在車載信息娛樂系統中，無混合播放的聲音可直接通過仲裁模塊搶奪播放權限。但在車載用戶實際使用過程中，存在多種聲音同時輸出的場景，因此在設計車載信息娛樂系統音頻架構時，要考慮聲音混音需求，對多路系統聲音并發場景的混音要求及音量輸出限制進行設定。

根據使用場景不同，音源分為駕駛安全類、通訊類、語音類、多媒體類和系統提示音。各主機廠對音源優先級定義主要為：駕駛安全類＞通訊類＞語音類＞媒體類＞系統提示音。音頻策略仲裁原則是高優先級搶占低優先級，同優先級后者中斷前者，通訊除外，后者不能中斷前者。

多個音源混音規則：后發音源與之前已發音源兩兩混音，混音音量的基礎是混音前的音量；多重混音增益降低時，只降低一次或執行最大的增益降低；如果多重混音存在不同的混音結果，按照屏蔽聲音＞增益降低＞原有音量的原則執行。

安全類：警告播報音（Safety Alert）、儀表提示音（Chime）通常是一些簡短的音源，如嚴重故障播報和駕駛輔助提示音。安全類聲音優先級最高，不能被任何類型聲音中斷，除了同類型的后事件聲音。

通訊類：E Call、B Call、I Call、藍牙電話（BTCall）、來電鈴聲（Ring Tone）、網絡電話（Voice over Internet Protocol,VOIP）為通訊類聲音，在駕駛場景下優先級低于安全類，但對用戶來說可能是很重要的信息，這類聲音需要用戶持續關注并做出反饋，不能被隨意打斷，采取跟安全播報混音的策略。

語音類：語音（Voice Recognition,VR）、導航（Navigation, Navi）和消息通知提示音（Notification）為語音類，語音類聲音優先級低于安全類和通訊類，會被前2者搶占。語音類聲音通常都是即時信息且信息密度高，系統在解碼這些聲音時，非常消耗資源，所以同時只能播放一路聲音。

多媒體類：收音機調頻電波（Frequency Modulation, FM）、收音機調幅電波（Amplitude Modulation,AM）、U 盤音樂（USB-Music）、藍牙音樂（BT-Music）、在線音樂（Online Music）、在線電臺（Online Radio）和在線視頻（Online Video）為多媒體類，多媒體類聲音和視頻雖然優先級較低，信息重要程度不是很高，但如果經常被打斷，斷斷續續地播放，用戶體驗不好，適合作為背景音播放。

系統提示類：系統（System）類聲音短促而有節奏，傳遞固定的信息，可以跟所有其它類型包括自身混音播出。

1.3.4 增益降低策略

多音源在進行混音時，為了提升用戶體驗，需要系統針對不同音源音量值進行設計，實現混音時的音源增益降低。

增益降低策略：假設A、B為2個不同音源，A為非增益降低音源，B為增益降低音源。當A音源和B音源的音量值設置符合如下條件時，執行增益降低策略。

（1）當A或B音量值設置為0級時，則視為該音源靜音，不執行增益降低策略；當A和B中音量值不為0級的音源正常按照所設置音量值發聲。

（2）當A與B音量值都不為0級時，則執行增益降低策略。B 降到A 音量的60%，如果音源B 當前音量小于固定音量，則不執行降音。

當B執行完成增益降低策略后，立即恢復到增益降低前的音量。同時B 在執行增益降低或恢復過程中，要有漸入漸出處理以保證聲音變化不突兀。

1.3.5 焦點搶占策略

Android 系統只有一個錄音聲卡設備，且不支持多個App打開同一個錄音聲卡設備，因此多個App使用錄音功能時存在互相競爭的關系，為了管理這種競爭關系引入了錄音用的焦點。因此在車載信息娛樂系統中必須遵守聲音焦點的規則進行聲音的播放處理。錄音用的焦點同樣遵循聲音焦點的使用規則[15]。

麥克（MIC）焦點管理規則，應用必須遵守以下原則：

（1）申請并獲得聲音焦點后才可以開始錄音；

（2）App被通知失去聲音焦點后，停止錄音；

（3）App 退出時釋放（Abandon）掉自己申請的聲音焦點。

MIC 在錄音前也必須申請錄音的聲音焦點。同樣App 退出或者不再使用聲音焦點時要釋放聲音焦點。

聲音焦點變更通知：App 需要在失去焦點時暫停或停止播放，如果是錄音情況，要停止錄音。在重新獲得焦點時可以選擇繼續播放或者錄音。

2 結束語

本文提出了一種基于用戶體驗的車載信息娛樂系統音頻架構設計，可適用于車載信息娛樂系統的不同使用場景，實現多音源混合播放，通過增益降低策略靈活設計混音時音源狀態，提升用戶體驗。當前該設計已經應用在紅旗H9、E-HS9車型上，未來將分別從座艙內聲音的功能性和娛樂性兩方面繼續深入研究，聚焦聲音與場景匹配度、悅耳性以及車型的定位，進一步發揮汽車系統的智能化優勢。