汽车音频DSP有什么新花样？
声学体验正成为定义汽车价值的新维度，音频已迅速成为不仅仅是一种交流和娱乐手段，更是改善人们生活的一种方式。
过去十年，汽车消费者对音响系统的期望值都大幅提升。性能良好的音响系统、更清晰的语音交互、定制化个性化的内容，有助于提升车主的使用体验，这也得到了众多 OEM 和市场的普遍认可。
新能源汽车产品对座舱音频的定位正在经历转变，从过去单一的驾驶功能上升到满足个性需求的娱乐空间、家庭空间、私密空间。
这一转变的关键标志是用户体验的全面升级：在娱乐音效方面，我们不再满足于收音机和蓝牙等简单立体声效果，而是追求高阶环绕、空间音频和独立音区等技术，以显著提升驾驶者的主观感受；在交互方面，通过语音对座舱环境进行控制，规划路线以及实现座舱内的本地交流补偿；在NVH体验方面，通过主动控制发动机和轮胎噪音使得主机厂能够更容易地优化车身和底盘的材料和控制。与此同时，新能源汽车对座舱音频和自动驾驶的不断增长需求，本质上是对车载芯片性能和算力提出了更高的要求。性能和算力的提升使得以往无法通过实时计算完成的功能，如今能够以低成本实现并量产。
提升音频质量的关键在于DSP，如今高端DSP依然是国际大厂的天下，但国内厂商也正在奋起直追，努力打破国外垄断。
现代座舱系统构成
座舱电子解决方案主要包括主机、音频功放、音频总线等。其中，主机系统集音/视频播放、导航、驾驶员辅助和车载通信等多种功能于一体，旨在给驾乘人员带来舒适、便利的驾乘体验。系统的典型功能包括 FM/AM/数字/卫星广播、CD/DVD 播放、多媒体外设接入、后座娱乐、导航、摄像头集成、手势识别、语音识别、蓝牙连接和无线通信连接等。
独立的音频功放接驳多通道扬声器，在车内营造各种音效环境，提供高保真的音频享受。系统的典型功能包括强大的音效处理、车厢内主动降噪以及引擎声效模拟。
音频总线用于传输主机、功放、主动降噪模块、及麦克风/麦克风阵列等模块间的音频和控制信号。
系统要求和设计挑战除基本的音/视频播放功能以外，现代车载娱乐系统对音/视频性能、连接性能、人机接口、操作便利性以及功耗提出了更高的要求。系统引入了更多更高效的数字信号处理技术，集成了更先进的音频算法，以改善声学体验或补偿驾驶舱的声学响应。
ADI：主动降噪成为新需求
电车由于没有了发动机，因此噪音水平大大降低，这也让其他噪音更加突出，因此主动降噪技术变得越来越重要。
以前大多数汽车制造商使用无源消声材料来帮助消声。但是这会增加车重，进而增大油耗。于是，制造商借鉴高端音频降噪耳机中使用的主动降噪技术(ANC)，在数百万辆汽车中部署了这种技术。虽然ANC能有效消除车辆的窄带引擎噪声，但对抑制轮胎产生的宽带噪声（道路噪声）作用不大。
ADI公司和现代汽车公司(HKMC)两个团队携手合作，共同部署业界首款全数字式路噪主动噪声控制(RANC)系统。他们面对的挑战是如何以实用且易于生产的方式实现RANC。2020年初，开创性的RANC系统加速投入量产，并用于现代的旗舰产品GV80汽车。借助全新静音座舱的优势，现代汽车通过部署采用Quantum Logic®Surround技术的Lexicon®高级音响系统打造舞台级音响效果，针对道路环境进行优化调谐。GV80配备21个扬声器和重低音音箱，巧妙地分布在座舱的17个位置，结合1050瓦的放大功率，为每位乘客打造较完美的沉浸式聆听体验。虽然未来上班的通勤时间可能仍然很长，但ADI与现代汽车的这一合作成果，有助于驾驶员和乘客在更安全、更安静、更具娱乐性的个性化空间中放松心情。
现代汽车着眼于开辟未来之路——超越降噪技术，使其整体汽车产品线兼顾驾驶员和乘客的感受，提供更具沉浸感、娱乐性和高品质的音响体验。
过去，为了降低车内噪音并使汽车感觉更高端，汽车制造商会在所有可能的位置（底板、整流罩等）加上隔音屏障。轻质材料诞生后，也只是增加了很多抑制作用，然后因附加重量影响燃油效率。因此，他们转向一种简单的模拟技术——主动降噪，该技术最初在20世纪50年代用于降低直升机和飞机机舱内震耳欲聋的引擎声，后来被耳机行业广泛应用。
ANC是一种可以消除窄带噪声（不仅是抑制）的简单且出色的解决方案。类似于湖泊中的涟漪与波谷结合，ANC的作用是使声波变平或抵消声波。
消除路噪其实并非旨在求取安静，而是为了避免噪音让驾驶员和乘客感到疲劳。
主动降噪工作原理
ANC技术的工作原理与降噪耳机相同，使用软件和元件（如DSP和麦克风）来测量和降低噪声。车内麦克风拾取引擎噪音，并将其传输至数字信号处理器(DSP)，ANC算法在DSP中对其进行处理，然后通过扬声器发回反向音频信号。驾驶员和乘客难以察觉到这种破坏性干扰产生的声音，但其足以抵消引擎噪音。
ANC应用程序“监听”不需要的外部引擎噪音，然后播出一个与相位相差180度的声音，这样，噪音还未传到您耳中就已被“消除”。数字处理必须非常快才能完成这一任务。
ANC技术仅对可预测的恒定低频噪声有效，如引擎轰鸣的窄带噪声。随机出现的宽带噪声（如凹坑）会渗透进来。因为ANC的信号和计算速度不足以迅速反应生成反向波。其软件和硬件很难在4 ms（4毫秒）内处理完降噪过程。这是路噪到达乘客耳中所需的时间。现代汽车正在寻求更好的解决方案。
当然这种劣势有时会成为一种优势。开车时能够听见汽车的喇叭声或消防车/救护车的警报声非常重要。由于ANC只会抵消低频连续噪音，所以这些重要的非常规高音提示会响亮而清晰地传来。
早在2012年，ADI公司就为现代汽车提供适用于其高级音频放大器的数字信号处理(DSP)技术。随后几年，此合作关系迅速发展为专注于现代汽车的路噪主动噪声控制(RANC)系统。
RANC技术不仅信号时延低，处理速度快，而且比噪音从道路到座舱的传播速度快四倍以上。在短短2 ms（2毫秒）内，RANC对路噪进行分析并通过汽车立体声扬声器发送反向声波，在车内任何人听到噪音之前将其抵消。在测试中，RANC可将座舱噪音降低一半或3 dB（3分贝）。
现代汽车提出的RANC系统由四个主要元件组成：加速度计、处理器、麦克风、扬声器。
加速度计：加速计位于每个轮胎附近，可以检测轮胎和悬架的振动。
处理器：自适应控制器的DSP专有算法通过扬声器传送的等幅反向声波在几毫秒内抵消振动噪声。
麦克风：同时，麦克风测量座舱内的声音，确保产生精确的降噪信号。
扬声器：座舱内的扬声器会关闭信号回路，干扰声波也会减少。因此每位乘客周围的内部区域更安静，驾驶时的听觉体验更舒适。
从2015年到2016年，现代汽车和ADI公司一直针对这一解决方案展开合作。2020年初，两个团队成功地在现代汽车的GV80上部署了业界首款全数字式路噪降噪技术产品。
ADI公司汽车座舱连接部总经理Vlad Bulavsky表示：“RANC就是一个很好的应用实例，需要运用各种不同技术来实现高效的系统解决方案。ADI的DSP、A2B连接、加速度计和软件IP无缝结合，可针对极具挑战性的声学问题提供高性能、经济高效的解决方案。”
另外，Bose也携手ADI公司，借助先进的汽车音响技术帮助实现道路噪音控制，提供更加身临其境、更轻松的座舱体验。
Bose采用ADI在汽车音响系统设计方面的突破性技术，在车厢内营造沉浸式的优质听觉体验，包括出色的QuietComfort®道路噪音控制。Bose发现，传统的机械降噪方法降低的是来自道路、轮胎和底盘的低频噪音，需要使用厚厚的隔音材料、底漆和更重的底盘部件，而这则会增加车身重量。增加的质量会对燃油经济性和电动汽车续航里程等方面产生负面影响。
Bose的道路噪音控制系统采用ADI的DSP技术，使用通过A2B连接的加速度计和麦克风来检测不必要的座舱噪音。这种系统能够快速处理噪音数据，然后生成降噪信号并经由车辆扬声器发出，再与道路噪音精确匹配，最终有效降噪并达到车厂的指标要求。Bose的特有算法与ADI先进的处理功能相结合，确保了更安静、更身临其境的座舱体验。这对电动汽车尤其有利，因为电动汽车无法使用传统发动机的声音来掩盖来自轮胎和道路的噪音。
在打造出色汽车座舱音频体验的过程中，ADI发现新兴的整车计算解决方案难以支持路噪降噪等复杂音频应用的实时（低延迟）需求。正因如此，Bose开始使用ADI的SHARC音频处理器和 A2B ，为Bose有源声音管理(ASM)产品系列提供高性能音频解决方案。
采用先进的降噪和波束成型技术之后，车内的每位乘客都能拥有自己的个性化音响小环境。
Bose SeatCentric技术让汽车座舱内的每位乘客都能选择自己的聆听体验，和其他乘客互不干扰。例如，父亲可以随时接听工作电话或收听导航指令，而其他家庭成员也可以在同一时间以任何音量欣赏音乐，并且所有这些操作都能够在各个座位上进行调节。此外，还可以主动取消后座音频，方便后座乘客小憩或使用自带设备收听音频，而前座乘客也不会受到影响。这一切都归功于SeatCentric技术。
A2B和SHARC音频处理器采用的是相同的ADI底层技术，这些技术提供的低延迟音频对于实现Bose的个性化SeatCentric体验愿景至关重要。
总的说来，采用先进的降噪和波束成形技术之后，车内的每位乘客都能拥有自己的个性化音讯环境，车辆也将成为个人数字助理。
ADI的音频解决方案一览：
ADI 提供广泛的视频解码转换器 / 编码转换器 / 协处理器，其信号性能和功能表现卓越，同时还可以提供完善的低功耗型 LVDS/HDMI®/MHL/APIX2 接口器件。
ADI 提供的音频总线 —automotive audio bus (A2B®)，主要用于各种音频模块间的连接，可用一对双绞线同时传输音频、控制信号，还可以提供电源。
ADI 出品的定点音频 DSP，SigmaDSP®、浮点音频 DSP，SHARC® 以及多核浮点音频 SOC Griffin，被广泛用作在主机和独立音频功放中的高性能 / 高效率音频后期处理和路由 / 混频专用的音频处理器。屡获奖项的图形用户界面工具 SigmaStudio™使 DSP 编程工作就像绘制流程图一样简单。
ADI 的高度集成式 Blackfin® DSP 系列适用于多媒体连接、网络连接和软件音频处理应用。
除 DSP 以外，还提供广泛的软件模块，如解码器、环绕声、虚拟化、回声消除、通话降噪和主动降噪等。
ADI 提供的音频编解码转换器具有丰富通道选择，并具有很高的 SNR/THD。
ADI 提供的多功能信号调理及光度传感器集成 AFE, ADC, LED 驱动器和时序内核，可用于多种光学测量应用，如座舱内近距检测和手势识别。
德州仪器：新一代 DSP 重塑信息娱乐系统
为了应对 OEM 以及终端消费者的需求，德州仪器 (TI) 推出了新一代音频处理器，通过更高的集成度以及更高的算力，有助于简化音响系统设计，并提升系统的性价比。
新一代产品包括 AM62D-Q1 处理器和 AM275x-Q1 MCU，集成了包括 TI 的 C7x DSP 内核、存储器和其他组件，不止确保了系统的高性能，还可以有裕量支持今后的升级要求。
具体亮点如下：
· 异构且支持AI算法的强大处理器
AM62D-Q1 带有 4 核 Cortex-A53 处理器、单核 Arm Cortex-R5F、以及 C7x DSP 且带矩阵乘法加速器的 DSP；AM275x-Q1 则集成了双核或四核 Arm Cortex-R5F、以及 C7x DSP。
特别需要指出的是，新一代 C7x DSP 内核，支持基于 256 位的矢量运算架构，内核可以根据单周期访问 L2 的储存器，速度更快。同时主频达到了 1GHz，提供 40GFLOPS 算力，且其矩阵乘法加速器 (MMA) 性能高达 2TOPS。C7x 内核与矩阵乘法加速器结合，构成了一个片上神经处理单元。
利用 AI 加速器，不仅可以运行通用的音频算法，也可以支持各类 AI 算法。与基于标量的传统 DSP 架构相比，采用基于矢量架构的 DSP 内核具备更高的音频处理性能，同时具有出色的扩展性，在低端和高端音频处理上均表现良好。
· 更大容量的存储
高级实时音频对于算力的要求除了体现在 CPU 上，还体现在内存方面。实现高吞吐量音频处理需要 DSP 内核的功能单元每个周期访问内存。AM2754 是一款无 DDR MCU，MCU 包含高达 4.5MB 的单周期访问 L2 内存和高达 6MB 的 L3 内存。AM62D-Q1 是一款基于 DDR 的处理器，适用于需要高速外部存储器的优质音频设计。AM62D-Q1 包含 1.25 MB 的单周期访问 L2 内存，以及用于额外高速外部内存的 32 位 LPDDR4 控制器。
· 丰富的接口与外设
音频传输网络的关键是精确且低延迟的通信和同步，以太网音频视频桥接 (AVB) 标准是一种理想选择，因为车辆中已经存在用于连接其他 ECU 的以太网，从而可以简化布线架构并降低了系统电缆重量和成本。
TI 新的音频 DSP 集成了以太网交换机，并且支持 TSN，非常适合高速高带宽的现代音频数据传输应用。
另外，在音频接口方面，TI 还支持多个多通道音频串行端口 (McASP)，从而方便系统扩展。
· 硬件安全模块
如今，汽车的安全越来越重要，为了避免黑客入侵，需要有各种安全防护模块。TI 的处理器支持安全启动，TEE 以及各类加密算法，尤其是支持国密 SM3 和 SM4，满足车辆的信息安全要求。而在功能安全方面，系统能力达到 ASIL-D 目标，硬件完整性达到 ASIL-B 目标，符合 AEC-Q100。
TI DSP 内置的 HSM 模块，集成了安全存储、加密硬件加速、安全 CPU 和连接到系统其余部分的硬件接口，符合安全硬件扩展 1.1 和 EVITA（电子安全车辆入侵保护应用）的标准。
· 两种架构的平台化策略
TI 同时提供基于 DDR 的 AM62D 和不带 DDR 的 AM275x，这样客户可以根据自身成本和算力需求灵活选择，选择不同的产品，由于采用了相同的 DSP 以及 Arm 架构，客户的算法投资不会被浪费。
一站式音频解决方案
对于汽车音频系统而言，TI 有完整的嵌入式、模拟和电源产品及方案，为客户提供一站式解决方案。
TI 的放大器、数据转换器和 MPU 可以改善车内体验所需的低噪声、失真和延迟，从而确保高品质音质。放大器具有过流保护、实时 IV 检测、负载诊断、强大的 ESD 和 EMI 保护等高级保护特性。
同时，在减少电池消耗、提升续航里程上，TI 的 D 类放大器的高级调制方案与升压转换器的电源跟踪功能相结合，可实现更佳的电源效率。
另外，TI 还提供针对终端设备定制的参考设计、培训和支持，从而降低开发难度，加速系统的开发周期。
AKM：利用加速度计和DSP实现ANC
道路噪声消除技术用于消减在车辆行驶过程中，由于路面带来的振动而导致的噪声。该技术通过对来自加速度传感器的输入信号进行低延时的实时计算，在车内构建一个次级声场来实现噪音消减。
AKM提供超低延时的ADC芯片，能将传感器信号迅速传输至搭载了Silentium路噪消除算法的AKM DSP芯片中，通过软硬件结合的方式，打造独一无二的低延时车载ANC（主动噪声消除）解决方案。
应对音响环境变化，直接的方法就是用户手动调节音量。然而，在持续变化的路面环境下频繁调节音量，会很大程度影响用户体验。针对这一问题，典型的现有技术——车速联动音量调节和ANC虽对车内音响控制有所贡献，但各自仍存在挑战。
基于振动传感器的行驶噪声检测相较于麦克风会拾取环境杂音，振动传感器仅需基本的信号处理即可实现噪声检测。此外，还可利用车载导航等设备内置的振动传感器。分频段平衡调节传统音量控制技术会因噪声水平变化导致声学平衡失调，而DSC通过分频段音频平衡调节，可持续提供自然舒适的听觉体验。DSC系统能够根据行驶环境自动优化音乐与语音播放效果，利用现有硬件的简洁结构，在控制系统成本的同时持续提供舒适声学体验。这一技术特性有望成为车载音响系统中效果与成本平衡俱佳的“有效方案”。
国内厂商奋起直追
在国际厂商升级DSP的同时，国内也有诸多芯片厂商在角逐音频市场。
瑞芯微
瑞芯微RK2118芯片具备优秀的硬件实力和性能表现，采用高带宽 HiFi 4 DSP 和大容量 SRAM，集成瑞芯微自研的音频 NPU，实现高性能“多核异构”技术架构的深度融合，可支持人声分离/增强、音乐分离、降噪、虚拟环绕声等AI算法。
RK2118 采用高带宽 HiFi 4 DSP 和大容量 SRAM，并集成瑞芯微自研的音频 NPU，实现了高性能“多核异构”技术架构的深度融合，支持人声分离/增强、音乐分离、降噪、ECNR、虚拟环绕声等汽车算法。RK2118 已引起汽车行业的极大兴趣。值得注意的是，它已被领先的汽车制造商和 Tier 1采用，足以说明 RK2118 能够满足各类乘用汽车音响应用的高标准要求。
“随着量产的推进，RK2118 将对汽车和消费电子市场产生重大影响。其先进的音频处理能力，加上 HiFi 4 DSP 的可靠性及效率，将可以适配车载多场景音频需求，全面提升驾乘娱乐体验。”瑞芯微音频市场总监 Henry Huang 表示。
产品已于 2024 年第四季度投入量产。这款尖端的 SoC 有望利用 HiFi 4 DSP 及其广泛生态系统的强大功能，有效提升汽车音响系统及传统消费电子音频产品性能及体验。
之所以选择 HiFi 4，因与前代 HiFi 3 相比，HiFi 4 的性能有了极大提升。HiFi 4 DSP 具有高级配置选项，包括矢量浮点单元（VFPU），极大地增强了其处理复杂音频处理任务的能力。因此，RK2118 成为严格要求高保真音质和低延迟的汽车音响处理应用以及传统消费电子音频产品的理想选择。
汇顶科技
汇顶科技从软硬件深度融合入手，潜心布局和打造从硬件的车载音频功放，到软件的语音处理、音效处理及主动降噪为一体的汽车音频整体解决方案，助力更丰富智能、充满驾趣的进阶体验。其中，音频软件方案凭借灵活可靠的集成方式，支持主流SoC和各类DSP平台，有效降低了系统成本；一站式解决方案更好地助力客户缩短项目开发周期。目前，CarVoice方案凭借资源占用小和性能稳定可靠的优势，获得现代、日产、本田、丰田、奇瑞、广汽等品牌多款主流车型以及车机方案商成功商用。
国芯科技
为满足广大乘用车供应商和主机厂对座舱音频系统升级的紧迫需求，国芯科技针对新能源汽车市场，于近日成功研发了一款面向高端座舱音频处理的DSP芯片—CCD5001，并规划了完整的系列化产品。CCD5001芯片产品是基于HIFI 5架构内核研发的高性能DSP芯片，专为车载平台的有源噪声控制、高阶环绕音效、智能语音交互等应用场景而设计，芯片在满足极低时延、高浮点性能和多通道信号处理需求的同时，也可广泛应用于工业、交通等领域，满足高可靠性的信号处理或实时控制需求。
在FIR/IIR/FFT等音频DSP任务中，CCD5001采用专用的硬件加速器执行通用算法，如有限和无限脉冲响应（FIR和IIR）滤波，允许在内核DSP 之外进行实时音频滤波，从而提高内核的有效性能，相较于同类芯片可提供最高2.5倍的性能；芯片具备丰富的音频接口（SPORT、SPDIF）及内建音频子系统（DAI、PCG），能够实现8个TDM32、共计256个通道的并行输入输出功能，支持串联拓扑，大幅简化车内线束连接，降低系统成本；芯片灵活的数据通路配置，高效的数据传输效率，覆盖从低端到高端音频系统扩展需求，丰富的外设控制资源能够让CCD5001方便集成到各种构架的音频管理系统的硬件平台中。在驱动软件方面，CCD5001充分尊重开发用户的习惯，供应商和主机厂能够大量复用现有构架的驱动和固件，降低开发成本。在应用软件方面，CCD5001计划为客户提供业界标准的调音工具，满足开发质量和效率的完美平衡。
随着乘用车市场新能源汽车加速渗透，新能源汽车的异军突起推动了车载座舱音频系统的全面升级，单车价值量迅速提升。
在座舱音频算力方面，国外巨头长期垄断，国产化率低，供应链危机在疫情期间尤为显著，CCD5001作为国芯科技的首款车规级音频处理DSP芯片，为未来DSP系列芯片的布局奠定了坚实的基础。
公司不仅追求在高端座舱音频应用方面的突破，同时也规划了未来推出中低端系列DSP产品，这些系列产品将深入研究不同车型对音频处理的需求，通过优化成本和易用性，最终助力客户提升国产汽车的竞争力。
