Un Dsp per la gestione del suono

Da quando esistono i motori a combustione, gli ingegneri automobilistici hanno dovuto affrontare la gestione del rumore a bassa frequenza generato dal funzionamento del motore. La componente di rumore più importante deriva dalla fase di scoppio nei cilindri. Quando la frequenza di accensione entra in sintonia con la frequenza di risonanza dell’interno del veicolo si genera un fastidioso rumore. Riducendo il numero di cilindri e il regime grazie a propulsori più efficienti e più verdi, la frequenza del rumore del motore si abbassa, aumentando la probabilità di tradursi in un rombo più intenso e fastidioso per i passeggeri. Le tecnologie per migliorare i consumi, come ad esempio la disattivazione di cilindro o la ricarica delle batterie nei veicoli ibridi, contribuiscono ad amplificare questo fenomeno. Come si può ottenere una guida più silenziosa? La tecnologia Anc (Active noise control) consente di sfruttare il sistema audio dei veicoli per ridurre i rumori indesiderati generati dal propulsore. Sulla base del regime, attraverso dei microfoni aggiuntivi e delle funzioni di elaborazione del segnale integrate a livello di radio o di amplificatore è possibile creare un suono identico per contrastare quello emesso dal motore. Per condizionare il suono del veicolo per via elettronica, i sistemi di infotainment di bordo adottano delle tecnologie acustiche di tipo attivo. Allo stesso tempo, questi sistemi ricorrono sempre più spesso a SoC integrati dotati di Cpu standard ad alte prestazioni e di infrastrutture software. Perché una soluzione Anc lavori in modo adeguato, sono necessarie delle risorse di calcolo in tempo reale capaci di implementare e completare rapidamente i loop di controllo di feedback. Per affrontare questi vincoli, l’integrazione di un piccolo Dsp in tempo reale nel sottosistema audio rappresenta la scelta più logica. Tale approccio permette di dedicare il processore principale alle funzioni di calcolo intensivo, come l’elaborazione grafica per il display interattivo sulla consolle centrale della vettura.

Active Noise Control vs Active Sound Design

L’Anc si basa su segnali acustici coerenti, piuttosto che su suoni incoerenti come quelli presenti nel rumore che percepiamo quotidianamente. Fondamentalmente, l’Anc mira a replicare con precisione lo spettro sonoro originale in tutti i punti pertinenti, in tutti gli istanti pertinenti, tempestivamente e in contro-fase. In un tipico progetto di un sistema automotive con tecnologia Anc che fa uso dei quattro o cinque woofer del sistema audio e con l’aggiunta di tre-sei microfoni, il sistema Anc permette di soddisfare le esigenze di un tipico abitacolo riducendo il rumore nella gamma 30-250Hz, spettro che copre le frequenze di accensione di un motore a quattro cilindri. In una macchina di lusso, utilizzare un Dsp più potente per eseguire gli algoritmi Anc e adottare degli amplificatori aggiuntivi per pilotare gli altoparlanti del veicolo non comporta un grosso impatto sui costi. Questo approccio non è sicuramente efficace per un’utilitaria. Quando il costo è un fattore chiave, per controllare la parte audio si può fare affidamento su una head unit (la discendente della buona vecchia radio) comprendente amplificatore di potenza e funzionalità Dsp per i processi Anc. L’Asd (Active sound design) è una tecnica strettamente correlata all’Anc che arricchisce l’audio generato dal sistema del veicolo per riprodurre all’interno dell’abitacolo il rombo del motore desiderato. Questa tecnica può essere considerata un’ottimizzazione del suono del motore per sottolineare le prestazioni dell’auto e rafforzare l’identità del marchio. Ad esempio, il sistema audio della Bmw M5 prevede una funzione di elaborazione digitale del segnale che dialoga con la centralina del motore per generare dei suoni corrispondenti ai giri e alla coppia del motore, così come alla velocità di marcia della vettura. Se il conducente passa alla modalità Sport o Sport+, la reattività del motore aumenta, modificando l’esperienza acustica all’interno della vettura.

Il sistema di infotainment

Oggi, il sistema di infotainment a bordo dei veicoli è completamente digitale e altamente integrato. Le sue funzionalità continuano ad aumentare, nonostante i limiti d’ingombro e di potenza e le restrizioni in termini di dissipazione di calore. Si tratta di un hub di comunicazione dotato di interfacce multiple, spesso senza fili. Le limitazioni d’ingombro e di costo favoriscono la comunicazione basata su bus con larghezza di banda molto elevata a livello d’interfaccia veicolare. Il sistema è strettamente integrato con il veicolo, fornendo suoni funzionali per avvisi, allarmi e visualizzazioni. La tendenza per i sistemi di infotainment è di utilizzare potenti processori standard con sistema operativo aperto e middleware. La complessità, quindi, risiede nel software piuttosto che nell’hardware. Poiché la scalabilità è importante, vengono normalmente preferiti dei processori multi-core. Nel software risiede gran parte del sistema: a tale proposito, gli aggiornamenti possono essere effettuati sul campo, accorciando i tempi necessari a compiere tale operazione. Molti progettisti di sistemi di infotainment stanno orientandosi all’utilizzo di SoC interfunzionali; per esempio, un SoC di questo tipo può supportare sintonizzatore radio e funzionalità audio del veicolo.

La gestione attiva del suono con un Dsp dedicato

I progetti SoC di infotainment devono considerare le esigenze dei segnali audio per le tecnologie di gestione attiva del suono e armonizzarle a quelle proprie dei sistemi di audio infotainment. In genere, i segnali audio del sistema di infotainment sono caratterizzati da:

  • elevata larghezza di banda, 48kHz fs;
  • elevata gamma dinamica, ≥16 bit;
  • elevato numero di canali, ≥ 20 canali sorgente, 20 canali di destinazione;
  • sorgenti e carichi non sincroni e domini di clock differenti;
  • elaborazione complessa di segnale e di blocchi di dati;
  • assenza di interrupt e di funzionalità di sincronizzazione;
  • latenza quasi arbitraria, con sincronizzazione ottenuta con linee di ritardo per adattarsi al componente più lento (ad esempio sincronizzazione audio/video).

Al contrario, nelle aree applicative quali il controllo vocale a mani libere o il buffering, la bassa latenza è un must. Ciò è ancora più importante per le tecnologie audio attive, dove vigono i requisiti specifici di bassa latenza imposti dalla teoria del controllo. Pertanto, esse non sono adatte alle piattaforme audio tradizionali.
Nella prima generazione di sistemi audio attivi, i progettisti avevano previsto una centralina supplementare con un Dsp per il controllo del segnale audio tra l’amplificatore di potenza e il diffusore. Questo approccio garantiva la bassa latenza necessaria tra i microfoni veicolari e il sistema di altoparlanti. Nella successiva generazione di sistemi, i progettisti hanno integrato la tecnologia di gestione attiva del rumore in amplificatori molto potenti basati su Dsp. Tuttavia, tale approccio si è dimostrato molto costoso e, come risultato, ha precluso l’uso di questa tecnologia nelle utilitarie. Le head unit dei veicoli odierni utilizzano complesse Cpu embedded, o anche Cpu multiprocessore per supportare applicazioni di navigazione, d’infotainment e per smartphone. Linux è il sistema operativo più diffuso per questi sistemi. Anche se questo approccio assicura notevoli capacità di calcolo, non supporta il requisito essenziale della bassa latenza audio. Ciò è dovuto in gran parte al sistema operativo. Linux, ad esempio, garantisce una latenza massima di 100 ms per il task switching, cioè adeguato per molte attività di controllo, ma insufficiente per le funzioni Anc. Per la componente audio, l’integrazione nel SoC di un piccolo Dsp dedicato alla gestione attiva dell’audio può offrire una soluzione conveniente per soddisfare i requisiti di costo e prestazioni del sistema. Il Dsp può interfacciarsi con i dati del veicolo, del microfono e dell’altoparlante ed eseguire il software funzionale necessario per queste applicazioni, liberando il processore principale per ulteriori attività di calcolo intensivo.

Dsp miniaturizzato a basso consumo per audio

Un esempio di prodotto a bassa potenza, di dimensioni contenute e appositamente progettato per l’elaborazione di algoritmi audio è il Dsp Tensilica HiFi di Cadence. Il Dsp si basa sul processore configurabile Tensilica e pertanto è in grado di supportare numerosi Rtos. Se eseguiti sul Dsp HiFi, questi Rtos sono in grado di garantire la bassa latenza non disponibile sulle Cpu general purpose basate su sistema operativo di alto livello, come Linux o Windows. I Dsp HiFi supportano più di 160 pacchetti audio, vocali, di riconoscimento vocale e di potenziamento del suono, così come vari software proprietari. Come IP licenziabile, il Dsp HiFi Tensilica può essere inserito in qualsiasi progetto SoC, rendendo più semplice integrare l’elaborazione a bassa latenza del segnale audio in qualsiasi sistema di infotainment automotive. Il Dsp programmabile fornisce anche risorse di calcolo sufficienti per sostenere altri algoritmi di elaborazione audio, dalla cancellazione dell’eco alla generazione di effetti speciali.

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