技術干貨
作者
艾睿電子技術經理 Frank Bi
背景：區域架構下的音頻革命
汽車電子電氣架構正經歷從分布式ECU向功能域控制（Domain），再到區域控制（Zonal）即軟件定義汽車這個方向的深刻變革。
隨著千兆以太網作為骨干網絡的引入以及AVB（Audio/Video Bridging）和TSN（Time-Sensitive Networking）協議的加持，為音視頻在車載以太網中實時傳輸提供了確定性時延和同步能力。
傳統模擬音頻總線存在布線復雜、擴展性差、抗干擾能力弱等問題，A2B專用音頻總線存在成本高等問題，而基于以太網AVB和TSN技術的新型音頻架構，大大減少了線束的長度，同時省去了外置功放ECU，在成本，重量等方面帶來了革命性的變化。
從技術方案到技術落地需要解決三個問題，一是關鍵技術的突破，二是生態的成熟，三是市場的認可。
艾睿電子和意法半導體深度合作，基于ST ZCU3.1系統板和音頻擴展板方案，和客戶一起驗證了方案的可行性，在AUTOSAR生態下，實現了音頻格式48K/16bit/4Ch/8Sample Demo演示環境搭建，初步驗證了方案的有效性，與此同時，在主機廠完成端到端方案的驗證，測試了完整的音頻格式，包括96K/32bit/32Ch/12Sample等，同時為了解決主動降噪場景下延時問題，通過音頻擴展板，引入了意法半導體的Class-D的HFDA80D，使得系統端到端時延降低了400us。整體方案滿足主動降噪場景對系統延時和抖動的要求，為后續量產打下了堅實基礎。
基于ST Stellar G6的以太網分布式音頻的方案特色
ST Stellar G6，憑借硬件級時間敏感網絡、媒體時鐘恢復及專用通信交換單元三大核心能力，讓車載以太網骨干網輕松承載高保真、更低抖動的音頻傳輸。該方案具有以下特色：
ZCU3.1硬件方案
左圖是ZCU3.1 Demo板的實物圖，右側是分布式音頻相關模塊的系統框圖，基于 Stellar SR6G6 MCU，電源管理芯片SPSB100,以及以下關鍵組件：
● 音頻功放 HFDA801A，車載應用設計的 4×24W （14.4V，4Ω）數字輸入 Class-D 音頻功放，連接到MCU的I2S0/TDM0上，集成 120dB DAC 與 2MHz PWM 技術，Hi-Fi 級音頻性能，支持 I2S/TDM 多通道輸入（最多16通道）， 具備AEC-Q100 汽車級認證。
● 以太網接口，ETH0（RGMII + SGMII 可選）即1000BASE-T 和1000BASE-T1二選一；ETH1（SGMII）,支持 1000BASE-T1接口。
● 連接器接口，用于接音頻擴展板，通過MCU的I2S1/TDM1預留擴展接口，I2C1作為配置接口連接到擴展板。
● 兩路 10BASE-T1S 接口，為以太網麥克風接入做預留，同時為RCP功能驗證打下基礎。
SDK軟件資源
基于SDK軟件架構如上圖，這里面主要列出了和音頻相關的模塊，基于GCC編譯環境，最新版本SDK6.1.0，提供從驅動層到應用層的SDK Demo例程。
● 應用層：多個功能應用（網關、以太網數據流、音頻播放等）Demo級別例程。
● SDK RTOS 層：基于 FreeRTOS，支持TCPIP協議棧，音頻功放的驅動作為獨立的模塊，為應用層提供調用接口。
● SDK LLD層：提供CAN，LIN，SPI，ETH，MSP，DPLL，I2C，PWM等驅動程序。
● 硬件層：兩組 R52 集群（Cluster 0/2），帶有鎖步功能，Cluster2可拆可鎖；另外，還有兩個M4內核，DME負責數據轉發，DSPH負責低功耗管理。
以上SDK軟件還有MCAL軟件可以通過ST官網Myteamspace或者通過艾睿電子等渠道獲取。
技術驗證：艾睿電子和一級供應商一起驗證了ST 音頻方案的有效性
操作系統采用AUTOSAR生態下協議棧EB OS，系統軟件模型如下圖，已經在StellarG6完成了適配。
● 主要軟件運行在R52+Core0上，采用ST的MCAL軟件，RTM1.1版本，包括MCU，DIO，PORT，GPT，SPI，ETH，CAN，LIN，DMA等組件。
● R52+ Core1/2 是同構擴展核，預留用于多核并行處理，雙 Cortex-M4 是協處理器，DME （Data Move Engine –實現CAN2CAN轉發等）。
● 對于非AUTOSAR框架的驅動，包括MSP，DPLL，PA Driver，10BASET1S，艾睿深度參與并將部分SDK封裝后提供給客戶。
● 基于BSW模塊的ETHSYNC和STBM模塊實現時鐘的同步。
在此框架下驗證了以下特性
● 環境，Talker端采用是linux PC（ Ubuntu）的平臺，Listener 采用ZCU3.1，驗證了基于AUTOSAR協議棧的以太網分布式音頻的方案，媒體時鐘恢復基于AVTP的AAF協議，音頻格式是48K/16Bit/4Ch/8sample，實現了一拖一的播放
● 通過AUTOSAR BSW模塊的ETHSYNC和STBM對時協議，實現了一拖二的音頻播放，達到了預期效果。
● 在ZCU3.1上驗證了802.1CB環網的同步發送和冗余消除的功能。
● 基于10BASET1S驅動，測試了基于MACPHY的10BASET1S接口，跑通了RCP協議。
以上測試驗證了以太網分布式音頻和RCP方案在AUTOSAR生態下的基本功能
推動落地：艾睿電子深度參與主機廠分布式音頻項目，推動ST分布式音頻方案走向成熟
艾睿電子和主機廠深度合作驗證RNC降噪加以太網分布式音頻完整的解決方案，項目難點是系統端到端時延，以及鏈路的抖動。
在設計中，音頻擴展板引入了意法半導體車規級功放芯片HFDA80D， 它具有極低的信號延遲，適用于主動降噪等高速音頻處理的應用場景 。
在AVB和TSN軟件部分，引入第三方商用化協議棧，在不增加過多成本情況下，使得項目完成落地。得益于微秒級的音頻同步精度與超低延遲特性，該方案為路噪消除（RNC）等高級聲學算法提供了理想的底層支持，能有效提升座艙內的靜謐性與駕乘體驗。
音頻擴展板方案簡介
左側是實物板卡，右側框圖，涉及三顆音頻功放芯片和連接器等。
● MCU的I2S1/TDM1接口，從ZCU3.1連接器接到音頻擴展板，分別連到 HFDA80D（4Ch）和兩顆 FDA902H（各 2Ch），I2C1對功放進行配置。
● HFDA80D 4Ch，單路22W低延遲功放輸出；2顆FDA902H 共4Ch,單路80W大功率功放輸出。
● 輸出：三顆AMP，共 8Ch，接到 AMP Connector，用于直接驅動揚聲器。
HFDA80D
HFDA80D 是 ST 專為車載應用設計的 ，最大4×47W ，數字輸入 Class-D 音頻功放，集成 112dB DAC 與 2MHz PWM，具有Hi-Fi 級音頻性能，支持 I2S/TDM 多通道輸入， 4.5V–18V 寬電壓范圍，極低延遲時間，最低可以到28us。
FDA902H
FDA902H 是 ST 推出的 雙橋數字輸入 Class-D 汽車音頻功放，最高 48V 高電壓工作模式，可驅動 8Ω 揚聲器滿功率輸出，符合AEC-Q100標準，專為高功率車載音頻系統而設計。
艾睿電子提供的基于HFDA80D，FDA902H軟硬件為系統測試提供了支撐。
測試臺架網絡拓撲圖
● HEAD UNIT（主機）：采集 MIC/AUX 音頻，經 SOC/DSP 處理后通過 ETH PHY 發出，通過gPTP和AVTP協議完成對時和音頻傳輸。
● Switch EVM（交換機）：以太網交換節點，將音頻流分別路由到 ZCU L（左）和ZCU R（右），作為gPTP中繼與校準節點，通過調整駐留時間，保證系統時延精度。
● ZCU（區域控制單元）：MCU 接收以太網音頻，經內部路由交換，到ZCU L上進行聲道分配，在4聲道以上的場景通過主板加擴展板PA0-PA3 功放驅動各通道揚聲器；如果不是發給ZCU L的音頻報文，會轉發到ZCU R上進行音頻播放，完成聲道的動態分配。
關鍵測試項
● Delay1：ZCU內部處理延遲
● Delay2：從Switch輸出到模擬輸出延遲
● Delay3：端到端音頻傳輸路徑延遲
測試了96 kHz/32bit/32Ch/12sample；48kHz/24bit/8Ch/8sample等多種音頻格式。測試表明方案的相關指標滿足了高保真車載音響系統及主動降噪算法的嚴苛要求， 具體參數可以聯系艾睿電子或ST團隊獲取。
小結
艾睿電子憑借其廣泛的客戶群體，豐富的元器件供應鏈資源，以及技術和資源整合能力，將最前沿的方案和最真實的需求實現零距離碰撞，同時推動迭代和循環，加速方案推向市場。
對于供應商以及合作伙伴，推動了生態建立，助力了方案落地。
對于客戶，推薦最合適的方案，并協助推進，加速項目從原型樣機走向量產。
