În ce măsură tehnologia A2B și microfoanele digitale permit performanțe superioare în aplicații auto emergente - II

Prezentare generală a tehnologiei A²B

− Continuare din numărul trecut −

Tehnologia A²B a fost special dezvoltată pentru a simplifica provocările legate de conectivitate în aplicațiile emergente de microfoane și senzori pentru automobile. Din punct de vedere al implementării, A²B este o topologie liniară cu un singur nod principal și mai multe subnoduri (până la 10). Cea de-a treia generație de transceivere A²B, care este în prezent în plină producție, constă din cinci membri ai familiei – toți oferiți în game de temperaturi pentru domeniul auto, industrial și de consum. Modelul AD2428W, cu toate funcțiile sale complete, împreună cu patru derivați cu caracteristici reduse și costuri mai mici – AD2429W, AD2427W, AD2426W și AD2420W– alcătuiesc cea mai recentă familie de transceivere A²B îmbunătățite, pin-compatibile, de la ADI.

AD2427W și AD2426W oferă o funcționalitate redusă (doar subnod) și sunt destinate în principal aplicațiilor de conectivitate pentru microfon, cum ar fi hands-free, ANC/RNC sau ICC. AD2429W și AD2420W sunt derivați A²B ‘entry-level’ care oferă avantaje de cost semnificative în raport cu omologii lor cu funcționalități complete și sunt foarte bine adaptați pentru aplicații sensibile din perspectiva costurilor, cum ar fi eCall pentru automobile și arii de microfoane cu mai multe elemente. Tabelul 1 prezintă o comparație a caracteristicilor transceiverelor A²B din a treia generație.

Seria AD242x suportă conectarea în lanț a unui singur nod principal plus până la 10 subnoduri pe o distanță totală de 40 m, cu o distanță de până la 15 m între nodurile individuale.

Tabelul 1. Comparație a caracteristicilor transceiverelor A²B ▶

Topologia în linie, daisy-chain, oferită de A²B reprezintă un avantaj important față de topologiile în inel existente, în ceea ce privește integritatea și robustețea generală a sistemului. În cazul în care o conexiune a lanțului A²B este compromisă, întreaga rețea nu se prăbușește. Doar acele noduri din aval față de conexiunea defectă sunt afectate de avarie. Iar sistemul de diagnosticare încorporat al A²B poate izola sursa defecțiunii, semnalând o întrerupere pentru a iniția o acțiune corectivă.

Topologia de linie principală/subnod a A²B este inerent eficientă în comparație cu arhitecturile de magistrale digitale existente. După un proces simplu de identificare a magistralei, nu este necesară nicio intervenție suplimentară a procesorului pentru a gestiona funcționarea normală a magistralei. Ca un beneficiu suplimentar al arhitecturii A²B, latența sistemului este complet deterministă (o întârziere de 2 cicluri de bus, care este mai mică de 50 µs), indiferent de poziția nodului audio pe busul A²B. Această caracteristică este extrem de importantă pentru aplicațiile de vorbire și audio, cum ar fi ANC/RNC și ICC, în care eșantioanele audio de la mai mulți senzori îndepărtați trebuie să fie procesate într-un mod sincronizat în timp.

Toate transceiverele A²B livrează semnale audio, de control, de ceas și alimentare prin intermediul unui singur cablu UTP cu 2 fire. Acest lucru reduce costul total al sistemului dintr-o serie de motive.

Numărul de cabluri fizice este redus în comparație cu implementările tradiționale.
Cablurile propriu-zise pot fi UTP cu costuri și greutate mai mici, spre deosebire de cablurile ecranate mai scumpe.
Cel mai important, pentru anumite cazuri de utilizare, tehnologia A²B oferă o capabilitate de alimentare prin intermediul magistralei, care livrează nodurilor audio de pe lanțul A²B un curent de până la 300 mA. Această capabilitate de alimentare prin bus elimină necesitatea unor surse de alimentare locale la nivelul ECU audio – reducând și mai mult costurile totale ale sistemului.

Lățimea de bandă totală de 50 Mbps a bus-ului oferită de tehnologia A²B suportă până la 32 de canale audio în amonte și până la 32 de canale audio în aval, utilizând frecvențe de eșantionare audio standard (44,1 kHz, 48 kHz etc.) și lățimi de canal (16-, 24-biți). Acest lucru asigură o flexibilitate semnificativă și conectivitate la o gamă largă de dispozitive audio I/O. Menținerea unui lanț de semnal audio complet digital între ECU-urile audio asigură păstrarea celei mai înalte calități audio fără a introduce potențialul de degradare audio datorat conversiei ADC/DAC.

Diagnosticarea la nivel de sistem este o componentă esențială a tehnologiei A²B. Toate nodurile A²B au abilitatea de a identifica o varietate de condiții de defecțiune, inclusiv întreruperi, cabluri scurtcircuitate între ele, cabluri inversate sau cabluri scurtcircuitate la alimentare sau la masă. Această capabilitate este importantă din punctul de vedere al integrității sistemului, deoarece, în cazul întreruperilor, al scurtcircuitelor de cabluri sau al defecțiunilor cauzate de cabluri inversate, nodurile A²B sunt încă pe deplin funcționale în amonte de avarie. Totodată, capabilitatea de diagnosticare asigură izolarea eficientă a defecțiunilor la nivel de sistem, ceea ce este extrem de important din perspectiva furnizorului.

Cea de-a patra generație de transceivere A²B, recent anunțată, AD243x, se bazează pe tehnologia existentă prin creșterea parametrilor funcționali cheie (numărul de noduri a crescut la 17, puterea bus-ului a crescut la 50 W), adăugând în același timp un canal de control suplimentar bazat pe SPI (10 Mbps) care oferă o capabilitate eficientă de ‘software over-the-air’ (SOTA) pentru programarea de la distanță a nodurilor inteligente conectate la A²B. Noile caracteristici oferite de familia AD243x o fac foarte potrivită pentru nodurile de microfon cu LED-uri integrate în arhitecturi de microfoane super-premium.

Aplicații ale microfoanelor și senzorilor A²B în industria automobilelor

De la un singur microfon pentru voce la o arie de microfoane BF cu elemente multiple pentru comunicații HF, de la ANC la RNC, de la ICC la detectarea sunetului de sirenă, microfoanele au găsit tot mai multe aplicații în industria auto. În conformitate cu tendința tehnologică și de piață, aproape fiecare vehicul nou care pornește la drum în prezent este echipat cu cel puțin un modul de microfon pentru comunicație HF. Mașinile premium și de lux pot veni cu șase sau mai multe module de microfon, necesare pentru a valorifica întregul potențial al BF, AEC, ANC, RNC, ICC și așa mai departe, unde microfoanele digitale MEMS prezintă avantaje clare.

Figura 3. (a) Proiectarea sistemului analogic cu elemente de microfon analogice (cabluri ecranate). (b) Proiectarea sistemului digital cu elemente de microfon digital (tehnologie A2B și cabluri UTP). (© ADI)

Numărul din ce în ce mai mare de microfoane prezintă o provocare semnificativă pentru inginerii specializați în dezvoltarea de sisteme de infotainment pentru autovehicule, cum ar fi simplificarea cablurilor de conectare și minimizarea greutății acestora. Aceasta nu este deloc o sarcină banală pentru sistemele analogice tradiționale. În cel mai simplu caz, un microfon analogic necesită o pereche de două cabluri ecranate (masă și semnal/alimentare), pini și carcase de conectare pentru realizarea conexiunilor. Numărul de cabluri este întotdeauna de două ori mai mare decât numărul de module de microfon din sistem. Între timp, greutatea totală a cablajelor ar putea crește și mai rapid, în funcție de lungimea cablurilor care este necesară pentru conectarea fiecărui modul de microfon. O modalitate simplă de ameliorare a acestei probleme este reducerea numărului de microfoane utilizate în sistem prin partajarea semnalului unui microfon între mai multe aplicații. De exemplu, același semnal de microfon ar putea fi utilizat atât în comunicațiile HF, cât și ca semnal de eroare în sistemul ANC. Cu toate acestea, aplicații diverse pot necesita caracteristici diferite ale microfonului. În exemplul menționat anterior, un semnal de microfon HF preferă adesea să capete o formă crescătoare a răspunsului în frecvență (adică sensibilitatea scade odată cu scăderea frecvenței) pentru a elimina conținutul de zgomot de frecvență joasă din interiorul cabinei. Aceasta este o tehnică utilă și foarte eficientă pentru a îmbunătăți inteligibilitatea vorbirii livrate de un microfon vocal. Dimpotrivă, un microfon ANC necesită un nivel suficient de sensibilitate la frecvențe joase, deoarece scopul principal al algoritmului ANC este de a reduce zgomotul de frecvență joasă. Astfel, pentru a partaja același microfon în două aplicații într-un sistem analogic, semnalul provenit de la microfon trebuie să fie introdus în circuite diferite pentru o filtrare adecvată a frecvențelor. În acest caz, se pot forma una sau mai multe bucle de masă, ceea ce poate cauza probleme semnificative de zgomot.

Datorită capabilității ‘daisy-chain’ a bus-ului digital, tehnologia A²B, împreună cu microfonul digital MEMS, oferă o soluție potrivită pentru interconectarea și/sau partajarea mai multor semnale de microfon solicitate de aplicațiile audio, de voce, de anulare a zgomotului și de alte aplicații acustice care se extind rapid în vehicule. Să ne imaginăm o situație în care o aplicație auto solicită un modul de microfon HF, un modul de microfon ANC și o simplă arie de microfoane formată din două microfoane pentru BF, toate aceste trei module fiind integrate în plafonul mașinii. Figurile 3a și 3b arată cum poate fi realizată o astfel de construcție cu sistemul analogic tradițional și, respectiv, cu sistemul digital A²B.

Figura 4. Microfoane și senzori A2B pentru utilizare în domeniul auto. (© ADI)

Deoarece sistemul analogic nu se poate adapta cu ușurință la partajarea microfonului, fiecare bloc de aplicații (HF, ANC și BF) necesită microfoane dedicate și seturi de cabluri separate pentru conectarea la circuitele funcționale corespunzătoare. Acest lucru presupune patru microfoane separate și trei seturi de cabluri (un total de șapte cabluri plus ecranarea). În schimb, deoarece partajarea semnalelor este ușor de suportat de către sistemul digital A²B, numărul microfoanelor poate fi potențial redus de la patru la două. În acest exemplu specific, un singur modul de microfon, compus din două microfoane omnidirecționale de bandă largă, poate fi utilizat pentru a furniza două canale de semnale acustice care să acopere nevoile tuturor blocurilor de aplicații. Odată ce aceste două semnale ajung la unitatea centrală de procesare (de exemplu, la sistemul de infotainment sau la amplificator) printr-un simplu cablu UTP, ele pot fi apoi partajate și procesate digital pentru a susține aplicațiile HF, ANC și BF.

Deși exemplul ilustrat în figura 3 poate să nu reprezinte o situație reală, acesta demonstrează în mod clar avantajele tehnologiei A²B față de tehnologia analogică tradițională. Un sistem de bus audio digital precum tehnologia A²B răspunde provocării producătorilor de automobile de a oferi noi concepte audio și acustice care îmbunătățesc experiența utilizatorului și permite ca aceste concepte să fie introduse pe piață pentru o implementare mai rapidă.

Într-adevăr, multe aplicații care sunt fie noi pe piața automobilelor, fie dificil de implementat anterior, au devenit posibile datorită introducerii pe piață a tehnologiei A²B. De exemplu, în calitate de lider în furnizarea de soluții audio pentru automobile, Harman International a dezvoltat o familie de module digitale de microfoane și senzori care profită de sistemul A²B pentru a permite diverse aplicații pentru automobile. Figura 4 prezintă câteva microfoane și senzori A²B pentru utilizare în domeniul auto și modul în care acestea pot fi utilizate într-un vehicul. Acești senzori includ microfoane A²B individuale și arii de microfoane cu elemente multiple pentru ANC și comunicație prin voce, accelerometre A²B pentru RNC, microfoane A²B montate în exteriorul barei de protecție și arii de microfoane A²B montate pe acoperiș pentru detectarea sirenelor de urgență și monitorizarea mediului acustic. Activate de aceste microfoane și accelerometre A²B, tot mai multe aplicații, care necesită intrări multiple de senzori, sunt în curs de dezvoltare pentru a îmbunătăți și mai mult experiența utilizatorului în industria auto.

Rezumat

Arhitecturile vehiculelor din viitor vor deveni din ce în ce mai dependente de tehnologii de detecție acustică de înaltă performanță, cum sunt microfoanele și accelerometrele. O abordare complet digitală, care include senzorul, interconectarea și procesorul, oferă beneficii semnificative în ceea ce privește performanța și costul sistemului. Analog Devices și Harman International colaborează pentru a oferi soluții rentabile care creează valoare și diferențiere pentru clienții lor finali.

Autori:
Ken Waurin, Strategic Marketing Manager la Analog Devices Inc.
Dietmar Ruwisch, Senior Audio Technologist la Analog Devices, Inc.
Yu Du, Senior Principal Acoustic Engineer la Harman International Industries

Despre autori:

Ken Waurin este Strategic Marketing Manager la Analog Devices, în cadrul căreia deține responsabilitatea generală pentru tehnologia Automotive Audio Bus (A²B). De când s-a alăturat companiei ADI în 1996, el a ocupat funcții de management de produs, de dezvoltare a afacerilor, de marketing tactic și strategic care acoperă mai multe domenii tehnologice, inclusiv DSP, MEMS, convertoare, video și conectivitate. Prioritatea sa principală vizează infotainment-ul auto și aplicațiile emergente care conduc la diferențierea vehiculelor, cum ar fi sistemul audio premium, anularea zgomotului rutier și comunicațiile zonale la bordul vehiculelor. Poate fi contactat la adresa de email: kenneth.waurin@analog.com.

Dietmar Ruwisch este Senior Audio Technologist la Analog Devices. A studiat fizica la Münster, Germania și a obținut doctoratul în 1998 cu o teză despre rețele neuronale artificiale. De atunci, domeniul său cheie a fost procesarea semnalelor audio, unde deține mai multe brevete. Se concentrează pe îmbunătățirea calității comunicației audio – fie între oameni, fie cu o mașină – și pe procesarea corespunzătoare a semnalelor provenite de la microfon și de la arii de microfoane. Poate fi contactat la adresa de email: dietmar.ruwisch@analog.com.

Yu Du este Senior Principal Acoustic Engineer la Harman International Industries. Este licențiat și masterand în ingineria vehiculelor la Universitatea Tsinghua (Beijing, China) și a obținut doctoratul în inginerie mecanică la Virginia Tech (Blacksburg, Virginia). Experiența sa în cercetare și dezvoltare de peste 20 de ani în diverse domenii ale acusticii include acustica structurală, controlul activ și pasiv al vibrațiilor și al zgomotului, proiectarea și simularea transductoarelor MEMS, știința auzului și prelucrarea semnalelor acustice. Activitatea sa actuală la Harman se concentrează pe dezvoltarea tehnologiei avansate de microfoane și senzori pentru aplicații în domeniul auto. Dr. Du este membru al Societății de acustică din America (ASA), al Societății de inginerie audio (AES) și al Societății americane a inginerilor mecanici (ASME). În prezent, el face parte din Comitetul tehnic AES pentru domeniul audio destinat autovehiculelor.