Mejora de la cancelación activa de ruido con nuevas tecnologías de audio para automóviles

Los conductores en el mercado de un vehículo nuevo buscan activamente automóviles más silenciosos que brinden una experiencia de comunicación superior, tanto entre los pasajeros como con el mundo exterior. Los coches son mucho más silenciosos a medida que se vuelven más eléctricos; sin embargo, los pasajeros de estos automóviles más silenciosos, especialmente a velocidades más altas, normalmente escucharían más ruido del exterior que en un automóvil ruidoso con motor de combustión interna.

Con el objetivo de reducir aún más el ruido de la cabina, se utilizan técnicas avanzadas que utilizan micrófonos, amplificadores, altavoces y procesamiento avanzado de señales digitales para permitir la reducción del ruido de fondo, una comunicación de voz clara entre los pasajeros y llamadas de voz manos libres de emergencia y de alta fidelidad. .

Introducción a la cancelación activa de ruido

Las técnicas convencionales de cancelación de ruido, como el aislamiento pasivo y los neumáticos especializados, hacen que los vehículos sean más pesados ​​y reducen la eficiencia del combustible. Como se muestra en la Figura 1, los métodos de cancelación activa de ruido (ANC) pueden lograr los mismos beneficios con un peso total reducido en comparación con los métodos de aislamiento pasivo y sin afectar la eficiencia del combustible.

Un sistema ANC funciona colocando estratégicamente de dos a seis micrófonos en el interior de la cabina de un vehículo. Estos micrófonos miden el ruido interior y transmiten datos de audio a un subsistema de audio que, a su vez, emite una señal anti-audio a los altavoces integrados. Debido a que estos son los mismos altavoces que se usan para las aplicaciones de reproducción de audio, la adición de un sistema ANC tiene un costo adicional relativamente bajo.

Figura 1:un sistema ANC utiliza micrófonos y altavoces integrados para reducir el ruido en la cabina.

El sistema ANC para autos de nivel de entrada usa de dos a cuatro micrófonos, mientras que los autos de alta gama usan hasta seis micrófonos. La Figura 2 muestra una implementación de ANC típica.

Figura 2:diagrama de bloques que muestra cómo se combinan las señales del micrófono para generar una señal de reproducción antirruido.

Varios micrófonos colocados estratégicamente dentro de la cabina del automóvil capturan el ruido de fuentes como el motor, el contacto con la carretera y los neumáticos, el viento, las vibraciones estructurales y el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado.

Un conversor de audio de analógico a digital (ADC) digitaliza la señal de audio proveniente de la matriz de micrófonos y envía la salida digitalizada al procesador de aplicaciones a través de un bus de multiplexación por división de tiempo (TDM).

El procesador de aplicaciones implementa el algoritmo de retroalimentación ANC y produce una señal anti-ruido de amplitud igual y opuesta al ruido de audio medido. Esta señal anti-ruido se reproduce en el sistema de altavoces ya disponible, lo que resulta en la cancelación del ruido ambiental activo .

Similar a un sistema ANC, la comunicación en cabina (ICC) y los sistemas de formación de haz de voz manos libres que mejoran la experiencia de comunicación entre los pasajeros, así como con el mundo exterior, requieren un sistema de múltiples micrófonos y múltiples altavoces. Todos estos sistemas coexisten y se comunican eficazmente entre sí para crear una experiencia mejorada dentro de la cabina. Según los requisitos del sistema, el tamaño del vehículo y el nivel de lujo (bajo, medio y alto), los fabricantes de equipos originales utilizan diferentes números de micrófonos para cada una de estas aplicaciones.

Consideraciones clave de diseño

Los sistemas ANC utilizan de dos a seis micrófonos. Estos micrófonos deben estar polarizados al voltaje de polarización recomendado proporcionado por el fabricante del micrófono. También deben ser diagnosticados para diferentes condiciones de falla, como:

• Señal de micrófono en cortocircuito a tierra
• Señal de micrófono en corto a MICBIAS
• La señal del micrófono está abierta
• Señales diferenciales de micrófono en cortocircuito entre sí
• Señal del micrófono en cortocircuito con el voltaje de la batería (V _BAT )

A modo de ejemplo, la polarización del micrófono programable y las funciones integrales de diagnóstico de fallas disponibles en el ADC de audio PCM6260-Q1 de Texas Instruments (TI) permiten al usuario acomodar ambas funcionalidades de una manera muy optimizada en cuanto a costo y tamaño.

El dispositivo admite una función de diagnóstico de falla de CC de entrada de micrófono totalmente programable para entradas de acoplamiento directo o acoplado de CC mientras graba simultáneamente el micrófono. Estas fallas utilizan umbrales programables. Los fallos individuales y los canales individuales se pueden activar o desactivar individualmente. En el caso de una falla diagnosticada, se envía una interrupción al pin de interrupción. La lectura de los registros de estado puede proporcionar otros detalles como el tipo de falla, así como el canal por el cual ocurrió la falla.

Además, este dispositivo integra un pin de polarización de micrófono de alto voltaje, programable y de bajo ruido incorporado para polarizar micrófonos analógicos de 5 V a 9 V. El amplificador de polarización integrado admite hasta 80 mA de corriente de carga que se puede utilizar para múltiples micrófonos y ha sido diseñado para proporcionar una alta relación de rechazo de la fuente de alimentación, bajo ruido y voltajes de polarización programables para permitir el ajuste fino de la polarización para combinaciones específicas de micrófonos.

Para los dos a seis micrófonos necesarios en un sistema ANC, el PCM6260-Q1 es uno de una familia de ADC de audio que están disponibles con dos (PCM6020-Q1), cuatro (PCM6240-Q1, PCM6340-Q1), seis (PCM6260- Q1, PCM6360-Q1) y ocho (PCM6480-Q1) canales. Fig. 3 es un diagrama de bloques de la aplicación para un sistema ANC de seis micrófonos con el PCM6260-Q1.

Figura 3:PCM6260-Q1 se utiliza para implementar un sistema ANC de seis micrófonos.

¿Cuáles son las tendencias futuras para la implementación de audio en sistemas ANC?

De cara a futuras implementaciones, algunos OEM también están considerando un concentrador de audio, como se muestra en Fig. 4 .

Figura 4:Módulo de concentrador de audio

El concentrador de audio recibiría señales de audio de los sistemas de micrófono ANC, ICC, eCall y manos libres. Luego, digitalizaría y acumularía las señales de audio y enviaría las señales digitalizadas al subsistema de audio respectivo para su posterior procesamiento.

Si bien el concentrador de audio está diseñado para admitir un número cada vez mayor de entradas de micrófono, un ADC de audio como el PCM6260-Q1 serviría bien para dicha arquitectura al permitir que hasta 24 micrófonos compartan el mismo control I ² Bus C y bus TDM.

A medida que continúan evolucionando las tendencias en ANC, ICC y formación de haces de manos libres, el concentrador de audio reducirá el enrutamiento del micrófono y la complejidad de la implementación, así como el costo asociado con los cables de micrófono.

>> Este artículo se publicó originalmente el nuestro sitio hermano, Electronic Products.