汽车作为自带私密空间属性的交通工具,其从A点到B点的基本功能已经被挖掘,现在,汽车已经从一个简单的交通工具变成了个人的第三生活空间。在汽车从传统交通工具快速向驾驶者的第三生活空间转移过程中,智能座舱作为衔接两大阶段的核心用户界面,是未来车企产品竞争力的核心差异化体现。

 

语音交互功能作为汽车座舱智能化的标志性代表,与车内多种应用相结合,成为座舱生态构建的核心功能。从2021年中国汽车消费者智能化功能感兴趣程度来看,对汽车辅助驾驶的感兴趣程度最高,达至56.4%;其次就是智能语音交互,达到42.9%。据统计,2021年中国新发布乘用车当中,语音交互功能在座舱内的渗透率已高达86%。可以说,语音交互功能已成汽车座舱的标配。作为全球领先的高性能半导体企业,亚德诺半导体(ADI公司)以创新技术为立足点,致力于为供应商和原始设备制造商设计、配置功能丰富的汽车娱乐和信息解决方案。

 

沉浸式车内音频体验是影响消费者购买选择的主要差异化因素之一,汽车制造商也在通过提供这一技术来获取竞争优势。但是,汽车座舱内特有的噪声或其他干扰给语音识别带来了一些挑战,例如掩盖掉用户的声音,导致系统无法识别用户的意图。ADI推出的ADI LISTN高性能麦克风音频信号处理解决方案产品系列就是为了解决这类挑战。ADI LISTN利用先进的IP技术,所提供的解决方案和产品符合汽车行业的高标准要求。值得一提的是,所有ADI LISTN麦克风音频信号处理软件解决方案都可用作SigmaStudio® 中的构建模块,也可用作与CrossCore® Embedded Studio™ (CCES) 集成的库,可用于ADI SHARC® DSP或在第三方CPU或SoC上编译所需的任何工具链上,让客户可以自由选择自己偏好的系统架构。

 

语音识别的所有方面都需要高质量的音频处理,才能在所有用例(高速、音乐播放、乘客对话等)中获得令人满意的性能。风噪、路噪和发动机噪声会降低信噪比(SNR),通过扬声器播放的信号——通常称为扬声器回波——也是不需要的信号源。为了减少这种干扰并改善语音质量,需要采用复杂的数字信号处理技术,常常称之为回声消除和降噪(AEC/NR)。将MEMS传感器与ADC集成在单个IC中所得到的数字麦克风,就能够提供可立即进行AEC/NR/BF(波束成型)处理的信号。

 

语音识别唤醒词解决方案是ADI LISTN的一部分,ADI公司的先进解决方案与音频处理 (AEC/NR/BF) 算法相结合,可为所有汽车客户提供合适的产品。一般来说,将所有信号处理模块组织在一个集成算法套件中非常重要。如果功能模块彼此孤立地实现,处理延迟将会不必要地增加,整体系统性能会下降。例如,BF算法始终应与AEC一同实现,最好由同一提供商实现。如果BF算法在信号中引入任何非线性效应,则AEC肯定会产生令人不满意的结果。数字信号处理的理想结果最好通过一个集成算法包来实现,该算法包接收未降级的麦克风信号。下图曲线显示了三种不同BF算法在波束内和波束外方向的极性特征和频率响应。基于双麦克风阵列的标准线性超心型算法用作基准(黑色曲线),基准曲线显示了典型零角度方向的最大衰减(即最大波束外衰减),以及180°处的"后瓣",此处波束外衰减较低。由此产生的后瓣是线性算法中与波束宽度权衡的结果。心形梁(未示出)恰好在180°处有最大衰减。然而,其接受面积比超心型配置更宽。后瓣较不明显且波束外衰减更高的波束可以通过非线性算法实现,红色曲线显示了该类的ADI专有双麦克风算法(麦克风间距:20 mm)。

 

不同BF算法的极性衰减特征

 

阵列中有两个全向麦克风,因此波束形状总是存在旋转对称性。换句话说,极性图中X°的衰减与360°- x°的衰减相同。这假设极性图的0°至180°线等同于连接两个麦克风的想象线。三维波束形状可以通过绕该麦克风轴旋转二维极性曲线来想象。无旋转对称性的不对称波束形状或更窄波束需要至少三个麦克风以三角形布置。例如,在典型的头顶控制台安装中,双麦克风阵列可以衰减来自挡风玻璃的声音。然而,当如此定向时,双麦克风阵列无法区分驾驶员与乘客。将阵列旋转90°可以区分驾驶员与乘客,但挡风玻璃产生的噪声与座舱内的声音将会无法区分。只有使用三个或更多个配置成阵列的全向麦克风,才能衰减挡风玻璃噪声并区分驾驶员和乘客。图中绿色曲线显示了相应的ADI专有三麦克风算法的示例性极性特征,其中麦克风以等边三角形布置,间距为20 mm。

 

在用算法解决了回声消除和降噪后,越来越多的麦克风给车辆信息娱乐系统工程师提出了一个重大挑战——如何简化连接线束并使其重量最轻。作为一种具有菊花链连接能力的数字总线,ADI的A2B技术与数字MEMS麦克风一起提供一种多麦克风信号互连和/或共享解决方案,非常适合满足车辆中迅速扩张的音频、语音、噪声消除和其他声学应用的需求。

 

常见A2B麦克风和传感器

 

从实现角度看,A2B是单个主器件、多个子节点(最多10个)的串行拓扑结构。目前全面量产的第三代A2B收发器系列有五个成员,全部都提供汽车、工业和消费电子温度范围。全功能AD2428W与四款功能减少、成本更低的衍生器件—AD2429W、AD2427W、AD2426W和AD2420W——构成了ADI最新的引脚兼容增强型A2B收发器系列。AD2427W和AD2426W的功能有所减少(仅用于子节点),主要针对免提、ANC/RNC或车内通信(ICC)等麦克风连接应用。AD2429W和AD2420W是入门级A2B衍生器件,相对于全功能器件具有显著的成本优势,特别适合于汽车eCall和多元件麦克风阵列等成本敏感的应用。

 

从信息娱乐到与人或机器的免提通话,语音正在成为汽车座舱内的主要互动模式,取代了通过触摸控制座舱内的设置并实现了与云服务的无缝链接,所以未来的车辆架构将越来越依赖于麦克风和加速度计之类的高性能声学检测技术,以及传感器、互连和处理器的完全数字化方法可带来重要的性能和系统成本优势。ADI的高性能麦克风音频信号处理软件解决方案产品系列,除了可以帮助制造商实现真正的沉浸式车内体验的主要算法组件AEC/NR/BF之外,在与 A2B技术结合使用时,还可利用时间同步性和简化的布线架构提供低延迟的完整的一站式解决方案,最终降低设备制造商的总体成本,并简化麦克风布线方案,从而实现完整的交钥匙解决方案。