基于车载数字音频功放系统电路设计

侯学元

（延锋伟世通电子科技（上海）有限公司，上海 200233）

随着汽车智能座舱的发展，车载音频技术也取得了跨越式的发展，当前的车载信号模拟并行音频传输方式，已不能满足人们的需求。车载音频总线（Automotive Audio Bus, A2B）技术主要用来输入所获得的音频数字信号、完成音频数字输入主节点以及作为从节点数字音频信息，是数字音频总线级联的重要组成部分[1]。传统的车载音频技术主要基于复杂的专用音频数字输入，价格昂贵，输入输出线缆较多且重量较重，通用性不够理想，功能有限，价格较高，且开发周期较长。随着现代车载数字音频的发展，如何依据最新的数字音频总线技术提高音频质量，是车载音频功放的基本要求。论文针对数字音频功放，提出了一种基于A2B数字音频功放电路设计，实现了对数字音频A2B总线信号输入，利用微控制单元（Micro Controller Unit, MCU）的 Cortex-M0系列进行集成电路总线（Inter-Integrated Circuit, I²C）数据交互传输控制、数字音频数据交互，以及功放数模转换输出、驱动负载扬声器播放音频的功能。

1 A2B原理

A2B 是一种高带宽双向数字音频总线，其节点间的距离最长达15 m，整个菊花链长度超过 40 m，使用一条非屏蔽双绞线传输集成芯片间声音（ Integrated Inter chip Sound, I2S）/时分复用（Time Division Multiplexing, TDM）/脉冲密度调制（Pulse Density Modulation, PDM)数据和I²C控制信息以及时钟和供电信号[2]。A2B可用作内置嵌入式子网的网络，或与其他较长的距离协议结合使用的端点传输总线。时钟在单个A2B 网络中的所有节点上同步。同时在系统中的每个节点上接收麦克风和串行音频数据。

2 车载音频总线电路设计与实现

2.1 车载数字音频功放功能需求分析

车载数字音频功放系统是实现车载高质量音频驱动扬声器播放功能。

车载数字音频功放系统播放A2B数字信号需要以下几个步骤：

1）本系统接收主节点或者从节点A2B数字音频信号作为输入信号至A2B芯片，通过A2B芯片转换成TDM数字信号发送至Class D（D类功放）。

2）Class D将数字音频TDM信号转换成模拟信号，模拟差分输出至负载扬声器。

3）通过Class D进行驱动扬声器播放。

2.2 车载数字音频功放系统硬件框图

根据上述功能需求分析，车载数字音频功放系统总体框图如图1所示，从图中可以看出，该音频播放系统主要包括电源、数字音频输入、A2B/ TDM处理芯片、MCU、和数模转换D类功放、负载扬声器等。

图1 车载数字音频功放系统总体框图

2.3 A2B数字音频输入

A2B音频输入包括位时钟（Bit Clock, BCLK）和RANSMIT（发送），DATA(DTXn)Channel（数据信道）。

A2B数字音频输入如图2所示。

图2 A2B数字音频输入

1）位时钟Bit clock BCLK的输出频率为 50 MHz，即A2B Bus Clock=1024×Fsync（频率连续时钟）=1024×48 kHz=50 MHz。

2）TRANSMIT DATA (DTXn) Channel（收发数据信道），包括tDOENM（Data Enable Delay After BCLK Drive Edge位时钟驱动边缘后的数据启用延迟）：BCLK驱动沿后的DTXn数据启用延迟，最小4.0 nS；

tDODIM（DTXn Data Disable Delay After BCLK Drive Edge位时钟驱动边缘后DTXn数据禁用延迟），BCLK驱动沿后的DTXn数据禁用延迟最大10.5 nS。

2.4 TDM信号

A2B音频输入同步信号Synchronous（SYNC），位时钟BCLK，发送数据Data Transmit Lines（DTX），接收数据Data Receive Lines（DRX）。同步信号SYNC，对于主节点，SYNC是由主机驱动的数字输入，对于从节点，SYNC为数字输出。同步信号SYNC基于帧速率（正常、增加或减少）。在并行 A2B总线模式下，SYNC是数字输入，其中它来自接收配对从属的 SYNC信号收发器。

位时钟BCLK是TDM接口的位时钟。在总线自发现模式下，主节点充当TDM主机，为主机控制器提供位时钟。对于从节点，位时钟为数字输出。位时钟是基于帧速率、TDM模式和通道大小配置。位时钟也可以驱动PDM麦克风的时钟。在并行A2B总线模式下，位时钟是数字输入，它接受来自配对下属的位时钟从节点。

数字音频输入时序如图3所示。

图3 数字音频输入时序

车载数字音频功放系统供电以电源电压（Vol- tage Drain Drain, VDD）为3.3 V为例，根据图3数字音频输入时序，具体时序时间如下：

1）BCLK：tSOL/tSOH（即Transmit or Receive BCLK Duty Cycle，发送或接收BCLK占空比），最小为49%，最大为51%；

2）SYNC同步输出抖动：正常模式48 kHZ；tSOHD（SYNC Output Hold after BCLK Drive Edge）：BCLK驱动沿后同步输出保持，最小为4.5 nS；tSOD（SYNC Output Delay After BCLK Drive Edge）：BCLK 驱动沿后的同步输出延迟，最大为9.75 nS；

3）Receive Data（DRXn)Channel（接受数据信道）：tRISM（DRXn Input Setup before BCLK Sample Edge）：BCLK采样边沿之前的DRXn输入设置最小为1.5 nS；tRIHM（DRXn Input Hold after BCLK Sample Edge）：BCLK采样沿后DRXn输入保持最小为2.0 nS；

4）Transmit Data（DTXn）Channel（传输数据（DTXn）通道）：tDOHMBCLK驱动沿后DTXn 输出保持最小为6.0 nS；tDODMBCLK驱动沿后的DTXn输出延迟，最大为9.75 nS。

2.5 音频数据格式：TDM模式

在TDM模式下，SCLK必须为TDM128[3]（=8X16）或TDM256（=8X32），具体取决于TDM插槽大小。在TDM模式下，SCLK和MCLK可以连接在一起。如果SCLK和MCLK连接在一起，则FSYNC应该是最小的2个MCLK脉冲长。在TDM 模式下，SDIN1（即TDM data input channels 1，TDM数据输入通道1）引脚用于数字音频数据，未使用的SDIN2（即TDM data input channels 2，TDM数据输入通道2）引脚接地。

以SCLK 256，音频TDM8模式为例，可以做通用性扩展，带动多级子节点装置进行数字音频信号传输。音频TDM8模式如图4所示，其中MCLK为主时钟；SCLK为音频位和串行时钟输入；FSYNC为音频帧时钟输入256SBCLK；DATA为数据；SDIN（TDM Data Input1）为TDM数据输入。

图4 音频TDM8模式

音频数据格式如图5所示。

图5 音频数据格式

2.6 MCU控制

MCU采用了基于ARM Cortex-M0处理器，ARM Cotex-M0具备开发周期短、实时性好的优点，能满足技术要求，具有较高的研究价值。工作频率高达50 MHz，内置可嵌套中断向量控制器 （Nested Vectored Interrupt Controller, NVIC），串行调试，系统节拍定时器，64 kB片内闪存编程存储器，8 kB静态随机存取存储器（StaticRandom- Access Memory, SRAM）、带系统编程（In-System Programming, ISP）和应用编程（In Application Programming, IAP），16个通用GPIO（General Purpose Input Output）引脚，带可配置的上拉/下拉电阻，引脚中输入多路复用的10位模拟数字转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC），1个同步串行端口（Synchronous Serial Port, SSP）控制器、先进先出（First In, First Out,FIFO）和多协议功能，支持完整I²C总线规范及超快速模式的I²C总线接口。

MCU控制如图6所示。

图6 MCU控制

根据图6 MCU控制，其中：1）MCU 主要是通过I²C总线传送数据至A2B模块和TDM之间的通信；2）带电可擦可编程只读存储器（Electri- cally Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM）（AT24C02）用于存储数据；3）MCU RESET（MCU 复位）上电初始化进行复位；4）车载功能安全相关功能；5）扩展功能。

2.7 数模转换D类功放

数模转换D类功放：通过TDM数字信号转换为模拟信号输出至负载扬声器进行播放音乐的功能。

车载数字音频功放系统采用的是桥接负载平衡桥式功放电路（Balanced Transformer Less, BTL）功率级[4]如图7所示，模拟输出两路通道驱动喇叭进行播放音频的功能。桥接负载BTL是 D类放大器最常见的输出配置。

图7 桥接负载BTL

一路扬声器SPK1（Speaker1 扬声器）配置，包括BTL1通过 OUTA（Output A）驱动一侧负载SPK1扬声器，具有反相OUTB（Output B）驱动另外一侧负载SPK1扬声器，进行音频播放。

另外一路扬声器SPK2配置，包括BTL2通过 OUTC（Output C）驱动一侧负载SPK2扬声器，具有反相OUTD（Output D）驱动另外一侧负载SPK2扬声器，进行音频播放。

这种BTL配置与负载的一侧连接到放大器输出，而另一侧连接到地的单端配置相比，对于给定的电源电压，这样可以使得负载两端的电压摆幅增加2倍[5]。

由于P=V2/R，负载上的电压摆幅两倍等于4倍功率增加。因此，在相同电源电压下，BTL负载配置为负载提供的功率是单端配置的4倍。因为负载的每一侧都被驱动，所以负载不是以地为参考的。扬声器SPK1和SPK2两端的电压负载是相对于地面为差分信号输出。本系统扬声器端采用差分信号，优势为抗干扰能力强，能有效抑制电磁干扰 （Electromagnetic Interference, EMI）[6]，减少音频失真，提高音频质量。

3 结论

本文主要完成了一种基于车载数字音频功放系统方案设计，该技术利用A2B数字音频输入，实现了对数字音频A2B总线信号输入，数字音频数据交互，MCU控制通过I2C总线控制传送数据至A2B模块和TDM之间的通信，数模转换的功放输出驱动扬声器播放音频的功能。数字音频可以做通用性扩展，带动多级TDM8数字音频信号进行传输，进行多通道输出。驱动负载扬声器端采用差分信号输出，提高了音频抗扰度，减少音频失真，提高音频质量。