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Infotainment: 关于车载音响和驾驶体验

不知道人们在坐车、开车的时候有没有考虑过车上的音乐是如何播放的,我在没有做这行之前是没什么概念的。所以当我知道跑车的轰鸣声不是引擎的声音,而是由汽车喇叭模拟出来的时候感到很是震惊。这篇文章内容大部分来自于公司的培训内容和工作中的总结,整理了一些基础音频概念以及一些汽车音频相关的基本知识,算是一种入门介绍和知识梳理。

车载音响(Car Audio)是如何工作的

汽车影音系统最重要的几个组成部分:

机头(Head Unit) 主要在汽车的中控,是整个影音娱乐系统的控制中心。

功放(Amplifier) 一般位于汽车后部,起到对音频信号的boost和amplify的作用。一些酷炫的算法,比如让只有驾驶员能听到音响声音从而实现对乘客的免打扰,或者主动降路噪等算法也是在功放中实现的。

喇叭(Speaker) 遍布于驾驶室周围,有些车型还会有将喇叭安装在车轮中。这些喇叭实现了音频信号的输出。

总线(Bus) 包括基本的CAN控制总线,以及MOST,A2B,eAVB等总线传递媒体数据。

在车内的分布如下图所示。

一些基本音频概念

音频(Audio),是与人类听觉系统的可听范围内的信号有关的对象(例如,信号,过程,设备,系统)或特征(例如,频率,水平,时间)。

声音(Sound),描述了通过空气或其他介质传输的音频信号刺激个体听众的人类听觉系统而产生的主观听觉。

音质,主要指的是Sound Quality.

[公式]
[公式]

关于音质不同的人有不同的喜好和标准,以拍照为例,有人喜欢iPhone原图,有人喜欢美图秀秀。有人喜欢真实不加修改的,有人喜欢美化后看起来赏心悦目的。

功放工程师更像是一个摄影师,而不是化妆师或者模特,我们需要最大程度保留音频的信息,并且根据不同的需求对音频进行加工,输出用户满意的音质。

Limitation:音频限制,包括信号的幅值,频率,时间等。

Unintended change: 由音频系统中的意外过程引起的音频信号变化。

Intended change: 由音频系统中的预期过程引起的音频信号变化。

THD+N: total harmonic distortion + noise, 总谐波失真。

Frequency response: 频率响应。

SNR: signal to noise ratio, 信噪比。

Crosstalk: 声道之间的音频信号耦合电平。

PSRR: power supply rejection ratio, 电源抑制比

音频性能标准

频率响应

人们可以听到的音频范围是20Hz – 20KHz。 好的音频期望实现的目标是该频段的频率响应非常的平坦。

例如,将1KHz的电平设置为0dB,20Hz – 20KHz频带中的最大和最小电平应不超过允许的相对电平限制(例如±1dB)。

当输出功率改变的时候,频率响应可能也会受到影响。所以,对于不同的输出功率,相应的频率响应曲线都应该满足设计要求。

输出功率

功放的输出电压不能超过其电源电压,否则会削波。削波意味着高失真(THD+N),所有功率计算毫无意义。

只有有足够的增益才能达到最大输出功率。

  • 增益太低 – 即使最大输入电平(最大音量)也无法达到最大输出。
  • 增益太高 – 削波太早发生,数字信号动态范围受到限制。
功放的传递曲线

THD

  • 根据傅立叶展开,正弦波在频域中具有一条谱线。
  • 正弦波的任何失真都会产生意外的谐波。
  • 谐波电压与信号电压的RMS之比表示失真程度。
  • 系统失真特性也可以应用于其他信号。

噪声 Noise

噪声是与输入信号无关的意外的随机输出单声道。

谐波是信号的一部分,而噪声不是信号的一部分。

Pop Noise

  • Pop noise是电源开/关,诊断,软件设置期间的意外瞬态噪声。
  • 使用不同的扬声器可能会(不会)听到爆音,没有相应的电气测试阈值。

功放 Amplifier

目的(1st):

  • 驱动需要大功率(大电流)的扬声器
  • 同时驱动多个扬声器
  • 均衡以补偿车辆内部形状和扬声器位置

目的(2nd):

  • 音频改善算法(Quantum Logic™,Logic7®,Signal Doctor™)
  • 环绕声解码(杜比音效,DTS®)
  • 车辆噪声补偿(DEC,ANC,EOC)
  • 通信总线控制(CAN,MOST)
  • 引擎声音合成(ESS)- 是的,跑车的轰鸣声不是引擎声而是喇叭发出来的.

汽车音频相关总线

  • CAN
  • MOST
  • A2B
  • IEBUS
  • eAVB

功率放大器 – Class AB & Class D

AB类放大器使用线性调节晶体管来调制输出电压。 这些设备中的损耗与通过它的电压和通过它的电流的乘积成正比。

D类放大器采用的MOSFET完全导通或截止。 理想情况下,可以实现零功耗。 在实际应用中以下情况会引起开关器件的功率损耗:1)有限的过渡速度; 2)导通阻抗; 3)栅极电荷。

电压跟踪(Tracking Power Supply)

利用这样的动态信号进行再现,可以通过在降压-升压配置中用电源跟踪音频信号来进一步减少损耗(功耗浪费)。也就是,通过低音量低电压,高音量高电压减少功耗。

疫情下的现状

由于新冠病毒的影响,全世界的汽车行业都收到了很大的冲击,所以对于车载音响无疑也是一种很大的打击。美国和欧洲的工厂停工过一段时间,导致全球车厂的产量降低。而国内市场由于新冠防护工作做得比较好,复工比较早,受到的影响相对而言没那么严重。但是整起来看,相应车载产品在第一二个季度的销售都有明显的缩减。

因此,在疫情期间做出相应的结构或者产业调整或许是一种可行的选择。因为往往这种调整会导致公司结构的变动,对产品研发、生产、销售等方面也会有比较大的影响,如果改革不当受到的打击也会很大。但是在疫情环境下,这种波动所造成的影响会比以往小一些,也就是风险系数会小一些。所以,很多公司选择在这次疫情期间开始进行一些改革和调整,也算是“不幸中的寻求万幸”吧。

对于每个开车的人来说,驾驶体验都在变得越来越重要。司机和乘客不再只满足于能听听广播和音乐,而是有了更多的影音娱乐的需求,所以car infotainment也是各个厂商目前在竞争的一块蛋糕。驾驶过特斯拉的人应该能够体会到好的infotainment对于提升驾驶体验有多重要。在疫情期间,虽然汽车市场没有那么火热,但是人们也更加倾向自驾出行而尽可能避免使用人流密集的公共交通的方式。所以对于在后疫情时代是否会有一波汽车消费的高潮,从而带动car infotainment的进一步发展,让我们拭目以待吧。