汽車內A2B音頻系統設計研究

【摘" 要】A²B數字音頻總線可以有效降低整車線束成本和質量，提高傳輸效率，并且能夠很好地滿足整車電磁兼容性要求。文章首先分析汽車音頻系統的功能需求，其次分析A²B數字音頻架構設計，最后探討相關音頻節點的選型。

【關鍵詞】A²B；音頻；系統

中圖分類號：U463.671" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）02-0037-04

Design and Research of A²B Audio System in Automobile

WU Bin

（SAIC Motor Ramp;D Innovation Headquarters，Shanghai 201804，China）

【Abstract】A²B digital audio bus can effectively reduce the cost and weight of vehicle harness，improve the transmission efficiency，and can well meet the vehicle electromagnetic compatibility requirements. This paper first analyzes the functional requirements of the car audio system，then analyzes the A²B digital audio architecture design，and finally analyzes the selection of relevant audio nodes.

【Key words】A²B；audio；system

傳統汽車音頻系統多采用模擬屏蔽雙絞線進行傳輸，整車線束成本高、質量大，對于整車節能不利。以寶馬為首的主機廠曾試圖引入Most總線，以解決日益增長的音頻需求，但由于其結構復雜，成本高昂，使其推廣受限。以太網傳輸音頻技術復雜，應用不廣泛，技術成熟度不夠，暫時也不是主流。目前ADI公司研發的A²B音頻總線，只需要一對非屏蔽雙絞線，就可以替代傳統的模擬音頻線路，同時減少75%音頻線束的質量。另一方案，A²B通過芯片和接口電路設計，可以很好地滿足整車電磁兼容性要求，此外A²B總線應用廣泛，已經逐漸成為車載數字音頻的主流方案，并將代表未來車載音頻系統的發展趨勢。

1" 汽車內音頻系統需求分析

汽車內音頻主要包括以下幾類音源：多媒體、通話、導航音、語音交互、報警音、提示音、主動聲浪、主動降噪等。

1）多媒體需求主要指收音機，U盤視頻和音樂，藍牙音樂，在線電臺的音樂、視頻、新聞，手機投屏應用的多媒體類輸出。一般需要2路傳輸，以實現立體聲的效果。

2）通話需求主要指車載藍牙通話，緊急呼叫，即時通信（組隊，視頻通話等），手機投屏應用的語音通話相關的音頻輸出，一路傳輸即可。

3）導航音包含車機端和手機投屏應用的導航類音源輸出，如提示音和TTS語音信息等。語音交互主要指車機端或手機投屏應用的語音交互類音源輸出。由于存在需要同時播報導航信息和語音交互信息的情況，所以導航和語音交互各需要一路傳輸。

4）報警音和提示音最初為一類，由儀表的小型蜂鳴器驅動發聲。但隨著車輛功能的增多，兩者逐漸拆分開，并且由整車揚聲器發聲。報警音是指與車輛行駛安全性相關的聲音，如轉向燈音，車輛各類零件故障的報警音，前向后向雷達報警音，高級輔助駕駛相關的4個方向的報警音等。提示音指需要反饋給用戶或需要用戶確認的非安全類聲音，如軟、硬按鍵操作的反饋聲音，通知提醒音（日歷、短信、語音文字提醒等），娛樂系統本身的一些功能異常提醒（地圖導航、網絡異常等）。報警音如果要體驗3D方位感，需要占用多路輸出，常見的是2路和4路傳輸。提示音一路傳輸即可。

5）主動聲浪通過模擬和修飾發動機或電機聲音，從而提升動力性感知能力。主動聲浪功能部署可以選娛樂主機也可以選功放，如果部署在娛樂主機端，就需要至少2路傳輸。主動降噪是通過麥克風和加速度傳感器采集車外噪聲，通過揚聲器發出反向聲波抵消噪聲，從而使得車輛更安靜，其傳輸通路的多少取決于整車的降噪麥克風和加速度計的數量。主動降噪更常見的方式是部署在功放端，從而減少從娛樂主機到功放的通路占用數量。用于主動降噪的麥克風輸入，可以復用為動態音質補償功能的輸入。動態音質補償指根據麥克風采集的外部噪聲情況，實時對音源的音量和部分頻段進行補償的技術，其目的是使音頻不受外部噪聲干擾，音量聽起來基本一致，從而給用戶帶來更好的聽音感受。主動聲浪需要提升外部聲浪，主動降噪需要降低外部噪聲，所以兩種技術通常只選一種。

2" 音頻系統架構系統設計

2.1" 功放主控的A²B音頻架構設計

音頻系統主要涉及的零件有娛樂主機、功放、麥克風、揚聲器等。根據第1章的分析，車內音源主要有5類，分別是多媒體、通話、導航音和語音交互音、報警音和提示音、主動聲浪和主動降噪，下文簡稱5類音源。

第1種功能分配方式是將5類音源的主控邏輯放在功放端，包括混音邏輯、音源和揚聲器的增益控制等。這種架構需要娛樂主機將5類音源傳到功放端，同時功放需要回傳多路揚聲器驅動的信號作為語音降噪的參考信號，回傳的數量取決于語音識別算法要求，通常回傳4路。功放主控的音頻架構如圖1所示。值得注意的是，同一個A²B通道內的混音邏輯還需要前端的娛樂主機進行處理。因為功放無法區分一個通道的內容，比如由于通道數量限制，將提示音和報警音進行混合，則功放端無法將兩者區分開，需要前端娛樂主機提前分開處理。一些控制命令如音量、平衡、音調等需要通過CAN總線進行傳輸。圖1中的語音麥克風、降噪麥克風、加速度傳感器采用模擬傳輸，實際上也可以改為A²B的方式，但需要將其改為帶有A²B芯片的數字傳感器。揚聲器輸出仍然為模擬，能輸出的通道數取決于功放的能力，功放常見的通道數是8～16路。

這種架構的優勢在于功放可以掌控所有音源的混音和增益控制，對于調音是有利的，最終的音效可以得到保證。娛樂主機的處理邏輯簡單，不容易出錯。劣勢在于功放內存有限，可以存儲的音源數量有限，持續迭代升級和擴展能力較弱，用戶體驗一般。

2.2" 娛樂主機主控的A²B音頻架構設計

第2種功能分配方式是將5類音源的主控邏輯放在娛樂主機，包括混音邏輯、音源增益控制等。功放只要負責功放驅動通道的揚聲器分配和揚聲器增益控制即可。麥克風、加速度傳感器和揚聲器的連接方式默認同第1種架構。控制信號同樣是通過CAN信號進行控制。娛樂主機音頻架構如圖2所示。

這種架構的優勢在于娛樂主機直接完成對5類音源的混音和增益處理，易于持續迭代升級，包括增加功能、更新音源等，用戶體驗較好。劣勢在于調音復雜性加大。功放完全依賴娛樂主機輸出，如需保證音質則勢必要增加娛樂主機端的調音，然后功放再進行二次整體調音。

2.3" A²B總線節點排序

A²B采用菊花鏈，每個節點依次串行，除了主節點和最后一個從節點，其它節點均有2個端口，其形式見圖3。

A²B主節點需要配置所有從節點的A²B寄存器，如果某一A²B節點損壞，這個節點往后的所有A²B節點將與主節點失去通信。由于這個特性，一般主節點選用可靠性較高、功能較強的節點，通常是娛樂主機。后續的排序主要有兩種排序思路。

第1種是可靠性角度，將最重要的節點往前排，一般把功放放在第2位，其它傳感器類節點往后放，如圖4所示，代價則是線束成本增高。

第2種是成本控制角度，主要考慮線束路徑最節省的方式，如圖5所示，代價是可靠性較差。

3" A²B音頻系統零件選型

音頻系統主要包含的零件有娛樂主機、功放、麥克風、加速度傳感器和線束等。下文主要探討相關零件的芯片選型、線束和接插件的要求。ADI提供的A²B芯片系列見表1。

3.1" 娛樂主機芯片選型

娛樂主機作為主節點應該選用的芯片是AD2428，可以支持最多10個從節點，并且可以通過I²S/TDM傳輸控制命令。由于娛樂主機是主節點，實際上只要用到B口即可（圖3）。娛樂主機需要配置整個A²B鏈路的寄存器，對從節點進行診斷，并且提供時鐘，以免音頻傳輸不同步。

3.2" 功放芯片選型

功放推薦的芯片首選是AD2428，主要考慮到功放和娛樂主機在一些音頻架構下會使用I²S/TDM傳輸信號。對于低成本車型無需I²S/TDM，那么AD2427也可使用，如果功放在最后一個節點也可以使用AD2426。

另外，由于A²B的帶寬是有限的，需要注意不要超出限制。通常把通道數設為上下行各16路，但是如果功放和娛樂主機采樣率不同，則需要額外的轉換，會損失一些通道數，提高傳輸速率也會影響通道數量。如果需要A²B傳輸的功能太多，但是通道數又不夠，可以考慮兩種方法。

1）方法1：將一些音源在A²B傳輸的前端進行混音，減少傳輸通道數要求。缺點是混在一起的通道功放端無法再單獨拆分調音。

2）方法2：額外增加一塊A²B芯片，以擴展通道能力。雖然完善了方法1的缺點，但是音頻處理軟件的復雜度會相應提升。

3.3" 麥克風和加速度傳感器芯片選型

麥克風和加速度傳感器是類似的，下文主要以麥克風為例進行分析。類似于功放，麥克風推薦的芯片順序依然是AD2428，其次是AD2427，放在鏈路最后位置可以選用AD2426。理論上一顆A²B芯片可以接4個麥克風。如果是數字麥克風，可以直接接到A²B芯片；如果是模擬麥克風，需要通過AD轉換后再接到A²B芯片上。A²B芯片可以部署在一個麥克風上，也可以額外增加一個麥克風采集盒子。

1）部署在一個麥克風上：后排的麥克風連接到前排的麥克風線束會比較長，要考慮EMC問題。另外，主麥會變得比較大，不利于布置，但相較增加盒子是省成本的方案。

2）增加盒子：盒子本身可以靈活布置，不受麥克風拾音位置限制，弊端則是成本上升。麥克風供電可以從A²B總線獲取，然而麥克風數量不宜過多。如果麥克風數量過多，應采用獨立供電，一般A²B鏈路最大供電能力約200mA。

3.4" 線束和連接器選型

A²B傳輸數據的速率為50Mb/s，采用的是非屏蔽雙絞線。A²B總線對于線束的要求類似于以太網線束的要求，具體要求見表2。

A²B總線對于線束未絞線的距離有一定要求，圖6中的U₁、U₂、U₃、U₄、U₅、U₆為雙絞線未絞線部分，建議每段未絞線距離＜10mm。I₁和I₂為內聯接插件的長度。線束要求2個節點之間最多允許2個內聯接插件，并且未絞線部分總長度不超過60mm，即U₁+U₂+U₃+U₄+U₅+U₆≤60mm。

連接器選型需要符合SAE-J3117標準和Open Alliance通信通道2.0規范，推薦選用Rosenberger MTD及類似連接器。A²B接插件的要求見圖7。對于4腳連接器，要求連接器尺寸Xgt;Y。對于單排的多PIN腳連接器，A²B信號對之間的引腳建議板內搭鐵，接相同阻抗的靜態信號或者懸空。

雖然專用連接器能夠更好地提升EMC性能，但在實際應用中也常采用多引腳、多信號的連接器，此時應注意盡量減少串擾，需要考慮以下情況。第一，避免在附近放置任何高頻信號，如以太網總線、CAN總線等。遠離其它噪聲信號，僅放置靜態信號，如GND、低頻控制信號。第二，將A²B總線放置在同一行上，以避免任何引腳長度不匹配，從而產生阻抗不匹配問題。除此之外，還有一些情況需要考慮。A²B總線周圍應該避免金屬片，也不應該靠近天線、天線電纜（尤其是AM、FM）或任何EMC敏感區域。A²B電纜可以與任何其它低頻電纜捆綁在一起，例如電源、GND電纜、CAN電纜、UART電纜等。需避免不必要的彎曲和壓縮導體。導體直徑變化以及有效介電常數變化都會影響電纜特性。線束和連接器的選型符合規范有助于A²B總線通過EMC測試，如果不是成本壓力很大，應該考慮滿足上述所有要求。

4" 總結

本文旨在分析探討整車中的數字音頻系統架構。首先分析車內不同類型的音頻需求，包括多媒體、通話、導航、語音交互、報警音、提示音、主動聲浪和主動降噪等。其次提出了2種常見的音頻系統架構，2種架構的主要區別在于混音邏輯是放在功放還是娛樂主機。然后對A²B節點的排序做了一定的分析，分為可靠性排序和經濟性排序2種。最后對A²B音頻系統的核心零件選型做了分析，包括娛樂主機、功放、麥克風、加速度傳感器、線束和連接器。希望上述分析能對整車數字音頻系統架構設計提供一定指導作用。

參考文獻：

[1] 曹軍. 路虎汽車主動降噪系統（上）[J]. 汽車維修與保養，2022（8）：47-50.

[2] Ken Waurin，Dietmar Ruwisch，Yu Du. A²B技術和數字麥克風如何在新興汽車應用中實現出色的性能[J]. 世界電子元器件，2022（1）：23-29.

[3] 黃巖. A²B方案給汽車音頻鏈路瘦身[J]. 電子產品世界，2015（12）：25-26.

[4] Ken Waurin. 新數字總線架構降低音頻系統成本[J]. 中國集成電路，2016（6）：35-37.

（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2023-08-13

作者簡介

吳斌（1987—），男，碩士，工程師，主要從事智能座艙研究工作。