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SDR助力实现创新车载娱乐 |
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作者：Mark Steigemann, Rui Li |
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得益于微处理器不断增强的性能，软件定义无线电(SDR)可以为汽车OEM制造商提供新的解决方案。将收音机功能从硬件转向软件，不但能够为全球汽车制造业带来成本优势，同时也可以在将来的收音机功能方面为制造商带来更大的灵活性。
在首款车载收音机接收器上市80余年之后，汽车产业正面临诸多更大的挑战。车载收音机必须具备比大多数其他消费类产品更多的特性：超长寿命、高可靠性和高性能。如今，车载收音机不但需要支持传统的模拟无线电系统(AM和FM)，还需要支持数字无线电系统。
需要解决的一个主要问题是全球存在多个不同的数字无线电广播标准——从DAB(+)到DRM(+)及HD Radio，如此等等，不一而足。各个国家或地区由于不同原因(商业、政治、金融和网络等)而选择了不同的标准。无线电设计工程师面临的真正挑战在于，如何把基于不同广播技术、差错保护方案和编码技术的标准有机地集成起来。
尽管汽车生产差不多已经实现全球化生产，但车载收音机市场却是区域性的，因为各个地区部署了不同的数字无线电标准。因此，每个市场都需要一种专用的数字无线电解决方案(图1)。这种多样性不但成本高昂而且耗费时间，因为对于每个市场，都需要评估、测试和集成不同组合的音频器件。
图1：产品链(各种标准均采用专用单器件)
更加灵活
为使灵活性和成本效率达到最佳平衡，可以通过适当组合功能强大的DSP(=灵活性)和专用HW加速器(=成本效率)来实现。软件定义无线电虽然并非什么新思想，但目前为止，纯软件无线电系统仍然主要用于学术研究。
实现具有商业价值的数字无线电系统的关键是为硬件/软件做出适当的分工，同时考虑以下因素：尽量将数字化扩展到天线输入部分(数字技术更灵活)；应在硬件中实现需要固定和常规数据计算的处理步骤(例如：数字滤波)。
嵌入式处理器技术不断增强的计算性能已发生重大变化，SDR亦是如此。如今，仍然无法在多用途处理器上运行纯SDR。然而，将来可以把越来越多的处理元件映射到处理器上，从而帮助OEM制造商进一步降低硬件成本，提高其产品的成熟度。
图2：精简的供应链(采用SDR技术)
更经济
SDR技术提供了更加经济的方式。客户可以使用一颗支持多标准的单芯片设计，而无须为每一种标准开发一种专用的解决方案。这种模式将简化物流过程，并减少芯片开发、软件验证、模块制造等方面的研发投资。
此类解决方案的一个示例是来自恩智浦半导体(NXP Semiconductors)公司的数字广播协处理器SAF356x(图3)，该协处理器支持HD-Radio、DAB、DAB+、T-DMB、DRM和DRM+等标准。每一标准的解决方案可以在汽车生产线通过编程来激活。您只需开发高集成度的硬件解决方案，就可支持全世界的收音标准。
图3：面向多个市场的多标准数字广播SAF356x
其目的还不是在通用处理器上运行完整的收音方案。在当今的技术条件下，这样的系统尚不经济。然而，关键是对芯片进行独特的设计，使处理器以技术和商业上最适合的方式执行每一种功能，无论是硬件功能还是软件功能。因而，一个多标准收音系统始终包括一个用于实现传统调幅/调频收音机功能的器件，和一个通过SDR实现相应地区要求的所有数字广播标准的第二器件。
过渡期间提供更多支持
还有一个挑战是不同技术、客户支持服务与性能要求的结合。
当DAB+的出现引起编解码器的变化时，汽车产业出现了一个令人困惑的问题。尽管在DAB+出现时，车载DAB收音机安装的数量并不是很多，但在当时，市场上已有不少汽车采用了仅支持DAB的解决方案，无法升级到DAB+。转变到DAB+新编解码器的过程存在问题，原因很简单，因为射频和音频处理不够灵活，无法进行重配置。另外，许多解决方案一旦被安装在汽车中，根本就没有利用新软件升级芯片组的机制。而SDR解决方案(与高效芯片设计相结合)可以帮助汽车制造商和系统解决方案提供商快速应对挑战。此外，SDR有助于促进汽车产业新标准和新功能的普及步伐，因为它为那些演进速度较快的消费市场功能提供了更快捷的途径。
由于同一节目在模拟信道(如调频)和数字信道(如DAB)之间存在广播延迟，当收音机从模拟接收方式切换到数字接收模式时(反之亦然)，如果聆听体验因此而受到消极影响，其结果将不利于新数字无线电标准的普及。正因如此，现代收音系统都要求具备“DAB-FM混频”之类的功能，这类功能可以在模拟接收与数字接收之间实现无缝链接且不会导致任何中断。收音机将根据接收质量参数，始终切换到最佳接收信道。
数字域还有另外一个优势——可以开发出时移功能以保障无线电节目的连续性，比如，从收听者因接电话而中断的时刻开始恢复。然而，SDR技术也可能为客户供应链带来风险。对于传统无线电系统来说，集成过程中通常有一家半导体公司提供帮助和 服务。然而，随着针对不同标准的软件组件的增多，情况可能变得复杂起来，因为软件可能来自不同的供应商。因此，有必要确保在芯片供应商外，建立一个可靠的供应和 服务网络。
采用SDR概念设计的数字收音机和采用RFCMOS技术的FM/AM收音机无缝结合
通过采用SDR和RFCMOS技术，恩智浦为客户提供了将调频/调幅收音接收系统和数字广播系统相结合的解决方案。如图4所示系统结构，将具备模拟广播信号处理和音频处理功能的HERO与实现数字广播信号处理的SAF356X相连接，即可实现适用于全球模拟和数字广播标准的平台。
得益于电子技术的迅速发展，汽车信息娱乐系统已由最初的收音机演变成为集视听娱乐和车载导航等功能一体化的多媒体车载电子系统；与此同时，消费者对音频系统也提出了越来越高的要求：具备更好的电台接收效果；支持更多种类的外部模拟以及数字音源，例如CD/DVD、SD卡、蓝牙和数字广播等；提供更加丰富的音效处理，例如频响和多波段均衡等效果。此外，汽车OEM制造商和系统解决方案提供商希望能够缩短开发周期，以应对汽车音响产品加速更新换代的挑战。
恩智浦推出的单芯片车载音频系统解决方案，将前端接收架构、基带信号处理和音频信号处理集为一体；其不仅能够帮助汽车OEM制造商和系统解决方案提供商减轻成本压力和减少系统开发时间，通过采用DSP处理技术，还能提供更优的收音效果和更多的音效处理。其中恩智浦的HERO系列(图5)作为单调谐器的单芯片收音方案，已广泛应用于系统解决方案提供商和汽车OEM制造商的开发和产品使用上，其具有以下几个突出特点：
应用RFCMOS技术设计芯片：汽车收音机的应用正面临着更多功能、更丰富的多样性以及更高系统价值等需求的增长，而且入门级汽车收音机产品的需求和主流汽车收音机产品的需求也正逐步整合；于是，如何在成本与系统的可伸缩性和灵活性之间达到最佳平衡成为芯片厂商面前的一个设计难题。恩智浦采用RFCMOS技术设计HERO芯片系列，不仅实现了处理广播信号和音频信号的能力，而且还可灵活配置各功能模块，实现该芯片系列功能上的可伸缩性和灵活性，实现产品的最佳性价比。
提供更强的信号处理能力：HERO芯片内置3颗可编程的DSP内核，单颗DSP频率高达225MHz。其中2颗专用于收音广播信号处理，1颗应用于后期音效处理。该芯片还针对收音广播和音频应用进行了优化处理。配合恩智浦的专业算法，针对接收到的数据进行专业的处理，可使播放的声音效果得到极大的提升，从而满足用户对车载收音机产品声音质量和音效高品质的需求。
内置低中频调谐器：HERO芯片采用RFCMOS技术，内部集成了低中频单调谐器；一方面，它能将来自中频的谐波干扰减小到最低，另一方面，通过针对调谐器和DSP接口的优化，提高了收音信号处理的效率。并且，由于低中频调谐器无需手动校正，所以即使没有很深的专业射频知识，也可以轻松地将晶片整合到主机板中。
全球化的广播接收平台及出色的收音性能：HERO系列支持全球的模拟广播标准(FM/SW/MW/LW)；它还可以通过与恩智浦体的Cayman系列配合，实现全球的数字广播标准(DAB、HD-Radio、DRM)的接收。在汽车这样一个移动环境中，相邻频道干扰和多路径干扰一直是影响收音信号接收质量的难题。HERO芯片通过“精确邻频抑制”(PACS)技术来消除前者；针对后者，HERO系列不仅具有改良的多径抑制(iMS)和信道均衡(CEQ)等软件算法，还可通过双天线/单调谐器应用架构配合DSP内嵌的SAD(扫描天线多样化)软件算法来抑制后者。这些方法取得了良好的接收效果。除此之外，HERO系列还提供了弱信号处理、调频噪声消隐等更多的改善收音质量的功能。
丰富的音频接口和后期音效处理功能：随着消费者多样性需求的日益增多，汽车音频系统也面临越来越多的音源输入/输入需求的压力。HERO系列可以支持多达4路模拟音源输入、5路数字音源输入、1路数字或模拟SPDIF音源输入，以及4路模拟音源输出和2路数字音源输出。
HERO系列采用DSP的音频数字信号处理技术，相比采用分立器件或者普通ASP的模拟信号处理，具有无失真、设置简单等优点。HERO系列可提供5段图示均衡器，用户可以设置每个频段所要工作的频率点(范围)。每个频段提供一个可以对电平进行提升或者衰减的滤波器电路，根据需要对输入的音频信号按特定频段进行单独的提升或者衰减。由于汽车内部的特殊布局、乘客的位置、车舱的大小以及扬声器位置等因素都会对车内乘客的听感产生负面影响，HERO系列内部还集成了7段参量均衡器。它可以针对车内任意位置的扬声器(前左、前右、后左、后右)进行进一步的细调，来获得更优的听感。
HERO系列还提供谐音发生器、多旋律谐音发生器、停车距离报警音发生器，客户只需进行简单的配置就可实现旋律悦耳的车内提示音。
除此之外，HERO还提供低音、中音、高音、限幅器和削波器等其他丰富的音频处理功能。
既简洁又灵活的开发架构及丰富的开发支持资源：HERO系列针对常用的用户应用环境，在内部配置了一些用例场景；并且HERO系列采用ARM+DSP架构，其中ARM提供SDK以及API接口，用户只需调用API的接口函数就可以实现用例场景的选择、波段切换和搜台等功能。针对用户的个性化需求，HERO还提供对DSP底层寄存器控制的支持，从而使用户能够更加灵活地进行系统配置。针对客户的产品开发，恩智浦提供了完整的开发资料——不仅包括芯片文档，而且还提供音频范例程序供客户参考；恩智浦还会提供电脑端的控制软件(GUI)，方便客户进行产品的开发、调试和测试。
恩智浦还提供HERO的简化版本HELIO系列。HELIO内部只集成单调谐器和广播信号处理部分，适用于不需要丰富音频处理的场景。
恩智浦利用创新及高性能的技术和产品，为汽车信息娱乐系统提供了功能丰富的汽车收音和音频DSP产品。在满足高性能和更好用户体验的同时，这些产品降低了系统的功耗和成本，帮助工程师简化了设计流程，并加快了产品上市时间。
更多数字化甚至更多创新即将到来
只要摩尔定律有效，SDR技术的价值就会继续增长。软件创新将成为未来车载娱乐创新的发展动力。今后会出现新的处理方式，新功能的设计周期也会缩短。就如家中的卫星接收器一样，甚至无线更新也可能变成现实。软件无线电技术将在车载电子领域得到进一步发展，催生出更多的新应用，因为SDR使我们得以把芯片技术的发展统一起来：我们将能够从针对特定应用的信号处理模式迁移到更加广泛通用的平台，将因广播标准而异的处理过程交由软件实现。
实现单个数字广播标准(如DAB(+)或T-DMB)可能不足以解决未来广播的接收和地理问题。有些地区可能决定采取一种双轨策略，比如在市区使用DAB标准，在农村地区则采用DRM标准，因为后者具有更大的覆盖范围。不同标准和 服务的共存将成为未来广播系统设计人员的另一挑战。例如，当从农村地区进入采用不同广播标准、提供不同广播服务的城市时，就需要音频无缝切换。
在这种特定情况下，收音机需要继续播放当前广播标准的音频服务，同时，需要在后台抽取音频内容相同的另一个信道的服务链接信息。在此基础上，收音机需要启动第二广播接收功能，以开始在后台解码备用广播服务，并确定广播延迟(可能长达5~10秒)。最后，收音机在两个时间对齐后的音频服务信道之间完成无缝切换。
对客户来说，结果就是能够连续收听选择的音频服务；收听者可能只会在看到专辑封面、天气地图等新服务时，才会注意到已切换到新接收标准。
上述情景只不过是涉及不同广播标准共存(因地区而异)的众多可能情况中的一种。许多其他可能的组合和场景是可想而知的，并非仅仅限于数字广播。在将EPG(电子节目表)数据或链接交换到电视服务或收音广播服务时，数字收音广播与数字电视标准(DVB-T、DVB-T2、DVB-SH)的结合很有意义。
然而，这很难用处理单个标准的传统无线电技术来实现：这样的无线电的成本太高，不具备经济性。相反，软件无线电技术有助于汽车产业减少系统多样性及降低成本。
图6所示解决方案利用SDR技术来克服无线电接收通路多样性的问题。SAF356x采用了这种方式，在一种可编程架构中集成了DAB、HD-Radio和DRM基带和音频解码功能，同时集成一个可以覆盖从调幅到L频段的所有接收频段的通用调谐器。
图6：利用SDR技术减少无线电接收通路的多样性
互联网接入
在数字无线电广播以外，还有一种重要的媒体正在进驻汽车世界：互联网接入。此类服务将提供多种多样的服务和机会，甚至可以个性化地获取音乐和其他内容。
互联网接入可以通过GSM(如3G)连接或者通过Wi-Fi连接(利用静态或移动Wi-Fi技术，如基于802.11p标准的Car2X概念所规划)来实现。无论内容以何种方式进入汽车，始终都会有许多新的选择，因为欧洲主要无线电服务公司中的大多数都通过互联网提供实时或时移音频流。因此，以新的方式将广播无线电与互联网无线电结合起来是有可能的，结果将进一步提升SDR技术的价值。
本文小结
新数字广播标准的多样化要求对汽车应用采取一种更加细致的处理方法。必须考虑对精简电子器件和系统供应链的需求。目前还不存在能够有效处理车载娱乐系统各方面问题、放之四海皆准的统一解决方案，这些方面包括：颇具吸引力的成本；精细化、全球化的元器件设计；在不同市场和广播系统之间进行功能和性能区分。
在新功能和性能基准寿命以月计的世界中(以新型智能手机和平板电脑的上市为准)，软件无线电技术必将为车载广播无线电娱乐领域带来革命性的变化。
作者：
Mark Steigemann
汽车事业部技术经理和首席架构师
Rui Li
汽车事业部中国区资深产品应用工程师
恩智浦半导体公司(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(9/17/2012) |
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