陣列麥克風間距和音頻帶寬與采樣速率之間的關(guān)系值得進一步討論。寬帶高清語音使用16 kHz的采樣速率，這是語音傳輸?shù)牧己眠x擇。當前16 kHz寬帶采樣速率與早前窄帶系統(tǒng)所使用的8 kHz采樣速率相比，在語音質(zhì)量和語音清晰度方面差異巨大。由于語音識別提供商的推動，對更高采樣速率（如24 kHz或32 kHz）的需求不斷增長。語音頻段應(yīng)用可能要求高達48 kHz的采樣速率，這通常是主系統(tǒng)音頻采樣速率。底層動機是避免在內(nèi)部進行采樣速率轉(zhuǎn)換。然而，支持這些高采樣速率所需的額外計算資源與其產(chǎn)生的實際效果并不相稱，因此現(xiàn)在廣泛接受16 kHz或24 kHz作為大多數(shù)語音頻段應(yīng)用的推薦采樣速率。
對于波束成型應(yīng)用，高采樣速率是有問題的，因為在頻率等于聲速除以麥克風間距兩倍的地方會發(fā)生空間混疊。在這種混疊頻率無法進行波束成型，因此不希望發(fā)生空間混疊。如果將麥克風間距限制在21 mm或更小，則可以避免寬帶系統(tǒng)（16 kHz采樣速率）中發(fā)生空間混疊。如果采樣速率更高，則間距需要更小才能避免空間混疊。然而，麥克風間距過小也不行，因為麥克風容差，特別是麥克風傳感器的內(nèi)在（非聲學）噪聲會成為問題。如果間距很小，一個陣列的麥克風之間的干擾（如內(nèi)在噪聲）和靈敏度偏差可能會壓倒麥克風之間的信號差異，導致信號差異變得微不足道。在實踐中，麥克風間距不應(yīng)小于10 mm。
A2B 技術(shù)概述
A2B技術(shù)專門用來簡化新興汽車麥克風和傳感器密集型應(yīng)用的連接挑戰(zhàn)。從實現(xiàn)角度看，A2B是單個主器件、多個子節(jié)點（最多10個）的串行拓撲結(jié)構(gòu)。目前全面量產(chǎn)的第三代A2B收發(fā)器系列有五個成員，全部都提供汽車、工業(yè)和消費電子溫度范圍。全功能AD2428W與四款功能減少、成本更低的衍生器件—AD2429W、AD2427W、AD2426W和AD2420W——構(gòu)成ADI公司最新的引腳兼容增強型A2B收發(fā)器系列。
AD2427W和AD2426W的功能有所減少（僅用于子節(jié)點），主要針對免提、ANC/RNC或ICC等麥克風連接應(yīng)用。AD2429W和AD2420W是入門級A2B衍生器件，相對于全功能器件具有顯著的成本優(yōu)勢，特別適合于汽車eCall和多元件麥克風陣列等成本敏感的應(yīng)用。表1比較了各種第三代A2B收發(fā)器的特性。
AD242x 系列支持通過菊花鏈將單個主器件和最多10個子節(jié)點連接起來，總線總距離可達40米，各節(jié)點之間距離最長可達15米。相比于現(xiàn)有環(huán)形/并行拓撲結(jié)構(gòu)，A2B的菊花鏈拓撲結(jié)構(gòu)是一個重要優(yōu)勢，對整體系統(tǒng)的完整性和魯棒性很有利。如果A2B菊花鏈的一個連接受到影響，整個網(wǎng)絡(luò)不會崩潰。只有故障連接下游的節(jié)點會受影響。A2B的嵌入式診斷可以確定故障的起因，發(fā)出中斷信號，并啟動糾正措施。
與現(xiàn)有數(shù)字總線架構(gòu)相比，A2B的主器件-從節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)本身更為高效。啟動簡單的總線初始化流程之后，無需更多處理器干預(yù)，總線即可正常運行。A2B的獨特架構(gòu)帶來的一個附加優(yōu)點是，系統(tǒng)延遲是完全確定的（小于50 µs），并且延遲與音頻節(jié)點在A2B總線上的位置無關(guān)。此特性對ANC/RNC和ICC等語音和音頻應(yīng)用極其重要，在這些應(yīng)用中，必須以時序一致的方式處理多個遠程傳感器的音頻樣本。
所有A2B收發(fā)器都能在一條非屏蔽雙絞線上傳輸音頻、控制、時鐘和供電信號。這可降低系統(tǒng)總成本，原因如下。
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與傳統(tǒng)實施方案相比，減少了物理線纜的數(shù)量。
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實際采用的線纜可以是成本更低、重量更輕的非屏蔽雙絞線，而非更昂貴的屏蔽電纜。
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最重要的是，對于特定的應(yīng)用場景，A2B技術(shù)可提供總線供電能力，將不超過300 mA的電流傳輸至A2B菊花鏈上的音頻節(jié)點。有了這個總線供電能力，便無需在音頻ECU上使用本地電源，從而進一步降低系統(tǒng)成本。
A2B技術(shù)提供的總計50 Mbps總線帶寬最多可支持使用標準音頻采樣速率（44.1 kHz、48 kHz等）和位寬（16、24位）的至多51個上行和下行音頻通道。這可為廣泛的音頻I/O設(shè)備提供相當大的靈活性和連接能力。在音頻ECU之間維持全數(shù)字音頻信號鏈可保證較高質(zhì)量的音頻品質(zhì)，不會因ADC/DAC轉(zhuǎn)換造成音頻性能下降。
開路、電線短路、電線反接、電線短路至電源或地。從系統(tǒng)完整性角度看，該功能非常重要，因為在出現(xiàn)開路、電線短路或電線反接等故障時，故障點上游的A2B節(jié)點仍然能夠正常工作。診斷功能還提供高效隔離系統(tǒng)級故障的能力，從汽車經(jīng)銷商/安裝人員的角度來看，這一點至關(guān)重要。
最近宣布的第四代A2B收發(fā)器AD243x是在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的發(fā)展，提高了關(guān)鍵功能參數(shù)（節(jié)點數(shù)增加到17，總線供電功率增加到50 W），同時添加了額外的SPI控制通道(10 Mbps)，為智能A2B節(jié)點的遠程編程提供了高效的軟件空中更新(SOTA)能力。AD243x系列的新特性使其非常適合于新應(yīng)用，如超高級麥克風架構(gòu)中裝有LED的麥克風節(jié)點。
A2B麥克風和傳感器在汽車行業(yè)中的應(yīng)用
從單個語音麥克風到用于HF通信的多元件BF麥克風陣列，從ANC到RNC，從ICC到警報聲檢測，麥克風在汽車行業(yè)中的應(yīng)用越來越多。依照技術(shù)和市場趨勢，如今上路行駛的幾乎每輛新車都配備了至少一個用于HF通信的麥克風模塊。高級和豪華車可能有六個或更多麥克風模塊，這是實現(xiàn)BF、AEC、ANC、RNC、ICC等的全部潛能所必需的，數(shù)字MEMS麥克風在這些應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢。
越來越多的麥克風給車輛信息娛樂系統(tǒng)工程師提出了一個重大挑戰(zhàn)——如何簡化連接線束并使其重量最輕。對于傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)而言，這不是簡單的任務(wù)。模擬麥克風至少需要一對雙屏蔽線（接地和信號/電源）、引腳及連接器腔用于互連。電線量始終是系統(tǒng)中麥克風模塊數(shù)量的兩倍。同時，連接每個麥克風模塊所需的線材長度會導致線束總重量增加得更快。緩解此問題的一種簡單方法是在多個應(yīng)用之間共享麥克風信號，從而減少系統(tǒng)中使用的麥克風數(shù)量。例如，同一麥克風信號既可用于HF通信，也可以用作ANC系統(tǒng)中的Error輸入。但是，不同應(yīng)用可能需要不同的麥克風特性。在前面提到的例子中，HF麥克風信號常常更希望具有上升頻率響應(yīng)形狀（即靈敏度隨著頻率的降低而降低），以消除座艙內(nèi)的低頻噪聲內(nèi)容。這是一種有用且非常有效的技術(shù)，可以提高語音麥克風傳遞的語音清晰度。相反，ANC麥克風在低頻時需要足夠高的靈敏度水平，因為ANC算法的主要目的是降低低頻噪聲。因此，為了讓一個模擬系統(tǒng)中的兩個應(yīng)用共享同一麥克風，需要將來自麥克風的信號饋送到不同電路中以進行適當?shù)念l率濾波。這種情況下可能形成一個或多個接地環(huán)路，從而可能造成嚴重的噪聲問題。
作為一種具有菊花鏈連接能力的數(shù)字總線，A2B技術(shù)與數(shù)字MEMS麥克風一起提供一種多麥克風信號互連和/或共享解決方案，非常適合滿足車輛中迅速擴張的音頻、語音、噪聲消除和其他聲學應(yīng)用的需求�？紤]一種虛構(gòu)但有示范意義的情況：某個汽車應(yīng)用需要一個HF麥克風模塊、一個ANC麥克風模塊和由兩個用于BF的麥克風元件組成的簡單陣列麥克風模塊，所有三個模塊都集成在頂燈模組周圍。圖3a和3b分別顯示了如何利用傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)和數(shù)字A2B系統(tǒng)來實現(xiàn)這種設(shè)計。
由于模擬系統(tǒng)不能輕松支持麥克風共享，因此每個應(yīng)用模塊（HF、ANC和BF）需要專用麥克風和單獨的線束來連接相應(yīng)的功能電路。這導致需要四個單獨的麥克風元件和三組線束（總共七根線加屏蔽）。另一方面，數(shù)字A2B系統(tǒng)則能輕松支持共享信號，所以麥克風元件的數(shù)量可以從四個減少到兩個。在這個具體例子中，由兩個寬帶全向麥克風元件組成的單個麥克風模組可用來提供兩個聲學信號通道，滿足所有應(yīng)用模塊的需求。一旦這兩個通道的信號通過簡單的UTP線到達中央處理單元（例如音響主機或獨立功放），就可以共享并進行數(shù)字處理以支持HF、ANC和BF應(yīng)用。
雖然圖3所示的例子可能不代表實際情況，但它清楚展示了A2B技術(shù)相對于傳統(tǒng)模擬技術(shù)的優(yōu)勢。A2B技術(shù)等數(shù)字音頻總線系統(tǒng)解決了汽車制造商的挑戰(zhàn)，使它們可以提出新的音頻和聲學相關(guān)概念來增強用戶體驗，并支持將這些概念更快推向市場。
實際上，A2B技術(shù)的商業(yè)化已經(jīng)使得汽車市場的許多應(yīng)用成為可能，其中既有新應(yīng)用，也有以前難以實現(xiàn)的應(yīng)用。例如，汽車音頻解決方案的較領(lǐng)先提供商Harman International開發(fā)了一系列數(shù)字麥克風和傳感器模塊，其利用A2B系統(tǒng)來賦能各種汽車應(yīng)用。圖4顯示了一些常見的汽車A2B麥克風和傳感器以及它們?nèi)绾斡糜谄嚿�。這些傳感器包括：單個A2B麥克風，用于ANC和語音通信的多元件麥克風陣列，用于RNC的A2B加速度計，外部安裝的保險杠A2B麥克風，以及用于緊急警報檢測和聲學環(huán)境監(jiān)測的車頂A2B麥克風陣列。在這些A2B麥克風和加速度計的賦能下，越來越多需要多傳感器輸入的應(yīng)用解決方案正在開發(fā)當中，以進一步增強汽車行業(yè)的用戶體驗。
總結(jié)
未來的車輛架構(gòu)將越來越依賴于麥克風和加速度計之類的高性能聲學檢測技術(shù)。包括傳感器、互連和處理器的完全數(shù)字化方法可帶來重要的性能和系統(tǒng)成本優(yōu)勢。ADI公司正與Harman International合作提供經(jīng)濟高效的解決方案，以為最終客戶創(chuàng)造價值并實現(xiàn)差異化。
