【技術記事】オーディオ・システムのコスト削減に貢献する革新的なデジタル・バス・ アーキテクチャ

技術記事 | Share on Twitter | Share on LinkedIn | Email オーディオ・システムのコスト削減に 貢献する革新的なデジタル・バス・ アーキテクチャ 著者: Ken Waurin マーケティング・マネージャ Analog Devices, Inc. 自動車メーカーにとって、前世代のものよりも安全で、スマー トで、燃費の良い車両を開発／製造するのは極めて重要なこ とです。その目標を達成するために、車両にはより多くのECU （電子制御ユニット）が搭載されるようになりました。自動車 の新製品には、スマートな無線接続、ロード・ノイズ・キャン セリング（RNC：Road Noise Cancellation）、パーソナル・オ ーディオ・ゾーン（PAZ：Personal Audio Zone）、車内通信 （ICC：In-Car Communications）、自動運転といった新たな機 能が続々と実装されるようになります。それに伴って、電子シ ステムの数と複雑さが著しく増大するという状況にあるので す。ECUの数が増加すれば、各ECUに対する接続に必要なケー ブル・ハーネスの重量やコストも増加します。もちろんコスト も重要ですが、重量の増加は車両の燃費低下につながるため、 自動車メーカーを大いに悩ます問題になっています。 自動車メーカーは、先進的で機能が豊富なインフォテインメン 写真1. 複雑なケーブル・ハーネス ト・システムを提供したいと考えています。その一方で、行政 ® が課す燃費の規制に適合させることも必須の要件です。したが 最新世代のインフォテインメント・システムには、MOST って、うまく両者のバランスをとらなければなりません。その （Media Oriented Systems Transport）やEthernet AVBといっ ための手段の1つが、従来から使われているケーブル・ハーネス たデジタル・バス規格が広く使われています。アナログ方式 の重量を減らすことです。そうすれば、燃費を大幅に改善する の実装に伴う配線の複雑さが大いに緩和されるからです。実 ことができます。 際、MOSTやEthernet AVBを採用すると、性能と柔軟性が高ま ります。その代わり、ソフトウェア・プロトコル・スタックを 現在の状況 管理するために高価なマイクロコントローラが必要になり、コ 従来、車載オーディオ・システムとECUの間の接続には、アナ ストは増加します。また、これらのデジタル・バス・アーキテ ログのケーブル、または既存のデジタル・バス・アーキテクチ クチャは、本質的に非確定的なものです。つまり、ノードごと ャが使われていました。いずれの方法にも制約があり、効率は に異なる値の遅延が発生します。アクティブ・ノイズ・キャン 低く、多くのコストが発生します。前者の方法の場合、車載オ セリング（ANC：Active Noise Cancellation）やRNC、ICCな ーディオ・システムには、アナログ信号線またはチャンネルご ど、話声や音声を扱うことから遅延に敏感なアプリケーション とに高価なシールド付きのケーブルが必要になります。今日の では、既存のデジタル・バス・アーキテクチャで生じるそうし 高性能なオーディオ・システムでは、マルチチャンネル（5.1ch た基本的な問題は許容できません。 または7.1ch）のDolbyまたはDTSのデコーディングをサポート アナログ・デバイセズのA2B するために、必要なケーブルの数が急増することになります。 また、A/Dコンバータ（ADC）とD/Aコンバータ（DAC）が必 Automotive Audio Bus ®（A2B®）は、現実のアプリケーション 要になることから、トータルのシステム・コストも増加しま に対して最適化されたアナログ・デバイセズの革新的な技術で す。更には、A/D変換、D/A変換に伴う誤差によって、オーディ す。これを使用すれば、Hi-Fiデジタル・オーディオを実現しつ オ性能が低下する可能性もあります。 つ、ケーブル・ハーネスを最大で75%軽量化できることが実証 されています。 analog.com/jp

2 オーディオ・システムのコスト削減に貢献する革新的なデジタル・バス・アーキテクチャ オーディオ・アプリケーション向けに最適化されており、既 オーディオ・システム用のECU向けにローカルの電源を用意 存のデジタル・バス規格よりもはるかに少ないシステム・コ する必要がなくなります。その結果、トータルのシステム・ ストで、アナログのケーブルを使う場合よりも優れた音質を コストを更に抑えることが可能になります。 実現します。最もシンプルな構成の場合、A2Bは50Mbpsとい う広い帯域幅のデジタル・バスとして機能します。2線式の UTP（Unshielded Twisted Pair）ケーブルを1本使用すること で、クロック、電源と共に、I2Sのオーディオ・データとI2Cの制 御データを、最大15mの距離のノード間や、40mにわたるデイ ジー・チェーン全体で伝送することができます。 A2Bの基本 A2Bは、単一のマスター、複数のスレーブから成るライン型ト ポロジとして実装されます。アナログ・デバイセズは、A2Bに 対応しつつ、機能を拡張したトランシーバー・ファミリの最新 製品「AD2428W」を提供しています。また、同ICとのピン互換 性を確保しつつ、機能を削減してコストを抑えた「AD2427W」 図1. A2B のデジタル配線 と「AD2426W」も同ファミリのラインアップに加えています。 これらの最新製品は、1つのマスター・ノードと最大10個のス A 2 B の バ ス 帯 域 幅 は 、 ト ー タ ル で 5 0 M b p s に 達 し ま す 。 レーブ・ノードで構成されるデイジー・チェーン接続をサポー そ れ に よ り 、 オ ー デ ィ オ 用 の 標 準 の サ ン プ ル ・ レ ー ト トします。サポート可能なスレーブ・ノードの数は、第1世代の （ 4 4 . 1 k H z 、 4 8 k H z ） と チ ャ ン ネ ル 幅 （ 1 2 ビ ッ ト 、 1 6 ビ ッ A2B対応トランシーバーと比較して20%増加しています。 ト 、 2 4 ビ ッ ト ） の 条 件 下 で 、 上 り と 下 り の そ れ ぞ れ で 最 個々のノード間を最大15mとして、最大40mまでのバス長に対 大 3 2 の オ ー デ ィ オ ・ チ ャ ン ネ ル を サ ポ ー ト し ま す 。 こ の 応可能です。また、リング型トポロジではなくライン型トポロ 仕 様 は 、 多 様 な オ ー デ ィ オ 用 I / O デ バ イ ス に 対 し て 多 大 な ジを採用していることは、システム全体の完全性と堅牢性の面 柔 軟 性 と 接 続 性 を も た ら し ま す 。 オ ー デ ィ オ 用 E C U の 間 で非常に重要です。なぜなら、デイジー・チェーンの中の1つの を 完 全 に デ ジ タ ル 化 さ れ た オ ー デ ィ オ 用 シ グ ナ ル ・ チ ェ 接続に障害が生じたとしても、ネットワーク全体がダウンする ーンでつなぐことができるので、ADC/DACによる変換が不要に ことはないからです。その障害の影響を受けるのは、障害の発 なります。そのため、変換誤差によってオーディオ品質が低下 生個所の下流に接続されているノードだけです。A2B技術に本 することはありません。 質的に組み込まれている診断機能により、障害の発生源を分離 先述したとおり、システム・レベルの診断機能はA2Bの重要な し、是正処置を開始するための割り込み信号を発生させること 要素です。A2Bに対応するすべてのノードにおいて、断線、ワ ができます。 イヤ同士の短絡、ワイヤの反転、電源やグラウンドへのワイヤ 上述したとおり、A2Bはマスタースレーブ形式のライン型トポ の短絡などが生じていれば、それを検出することができます。 ロジを採用しています。そのため、既存のデジタル・バス・ア この機能は、システムの完全性を確保する上で非常に重要な意 ーキテクチャと比べて本質的に効率が高いと言えます。バスを 味を持ちます。断線、ワイヤの短絡または反転といった障害が 検出するための簡単な処理が完了すれば、バスの通常動作を管 生じても、障害の発生個所よりも上流にあるA2Bのノードは問 理するためにプロセッサを使用する必要はありません。A2B固 題なく機能します。また、A2Bの診断機能では、システム・レ 有のアーキテクチャがもたらす付加価値として、システムにお ベルの障害を効率的に分離できるようにもなっています。これ ける遅延が完全に確定的であるということが挙げられます。 は、販売業者や設置業者にとって非常に重要な機能です。 オーディオ・ノードがA2Bバス上のどこにあるのかにかかわら A 2B に 対 応 す る シ ス テ ム の 設 計 は 、 グ ラ フ ィ カ ル 開 発 環 境 ず、遅延は必ず2サイクル分になります。ANCやRNC、ICCなど 「SigmaStudioTM」を使用することで大幅に簡素化されます。 のアプリケーションでは、複数のリモート・センサーからのオ SigmaStudioは、オーディオ用プロセッサ「SigmaDSP®」 ーディオ・サンプルを、時間軸上で整合をとった上で処理しな やプロセッサ・ファミリー「SHARC®」もサポートしていま ければなりません。このような話声や音声を扱うアプリケーシ す。SigmaStudioを使えば、業界で最先端の使いやすいツール ョンにとって、この機能は極めて重要なものです。 群によって、A2Bに対応するネットワークを初期化し、すべて AD2428W、AD2427W、AD2426Wを使用すれば、1本の2線式 のレジスタの構成（コンフィギュレーション）を行うことがで UTPケーブル上で、オーディオ信号、制御信号、クロック、電 きます。A2Bバスの帯域幅を計算するツールや、BERT（ビット 源を配信できます。その結果、以下のような理由に基づいてト ・エラー・レート・テスト）用の機能も、SigmaStudioの環境 ータルのシステム・コストを抑制できます。 に含まれています。SigmaStudioは豊富な機能を備える多様な 評価システムを提供しています。それらを使用すれば、A2Bに X 従来の実装と比べて物理的な配線の数が少なくなります。 対応するネットワークのプロトタイプを素早く開発し、システ X 高価なシールド付きのケーブルではなく、低コストで軽量の ムの概念検証、テスト、検証、デバッグを円滑に進めることが UTPケーブルを使用できます。 可能です。 X 最も重要な点として、A2Bでは、特定の用途に対してファン タム電源機能を提供することができます。具体的には、A2B に対応するデイジー・チェーン上のオーディオ・ノードに対 して、最大300mAの電流を供給可能です。この機能により、

3 オーディオ・システムのコスト削減に貢献する革新的なデジタル・バス・アーキテクチャ ターゲットとなる市場、アプリケーション RNC は、それよりも広義の ANC から派生したアプリケーショ ンです。現在、多くの自動車メーカーによって研究が進められ A2Bがもたらす効率の高さは、成熟した市場や新興市場の様々 ています。WB ANC では、リファレンス入力に調和するトーン な用途にメリットをもたらします。A2Bのターゲットとなるア に加えて、調和しない一部のトーンやランダムなトーンをキャ プリケーションとしては、次のようなものが挙げられます。 ンセルすることができます。通常、リファレンス入力は、車両 X オーディオ用ECU（ヘッド・ユニット、高級オーディオ・ア 内に物理的に分散された加速度センサー（4 ヵ所の車輪格納部 ンプ）の接続 に配置される場合が最も多い）によって供給されます。 X ハンズフリー、音声認識、ICC用のマイク・アレイ WB ANC 向けのシステムに対するその他の入力は、エラー・マ X ANC、RNC イクから供給されます。エラー・マイクも車両内に物理的に分 散して配置され、各搭乗者のクワイエット・ゾーンごとに 1 つ X PAZ／アクティブ・スピーカー ずつ必要になります。従来の実装では、各加速度センサー／マ X eCallとテレマティクス・システム イクから WB ANC 用の処理ユニットまで、アナログ方式の専用 自動運転システム の接続方法が使用されていました。その方法には、処理ユニッX トのコネクタ部分と配線のコスト／複雑さの面で明らかに問題 X 自動駐車システム があります。A2B を採用して実装すれば、そうしたすべての問 X バイタル・サインのモニタリング 題を解消できます。 X スマートな無線接続 A2Bは、費用対効果の高いセンサー接続を必要とする新たなア 量産車の中には、オーディオ用 ECU の接続に、既に A2B を採用 プリケーションを実現するための技術だと考えることもできま しているものがあります。つまり、成熟した魅力的なアプリケー す。現在は、2020年以降の量産車への搭載を目指して、自動運 ション分野になっているということです。ヘッド・ユニットを 転機能、バイタル・サインのモニタリング技術、自動駐車シス 高性能のトランク・アンプに接続するシンプルなケースに A2B テムなどが開発されている状況にあります。それらのすべてに を採用すれば、マルチチャンネルのオーディオ、カーナビ、スマー おいて、A2B技術がもたらす機能、能力、簡潔さといったメリ トフォン、チャイムなどを接続するための個別の配線が不要に ットを活かすことができます。また、市場投入までにかかる期 なります。A2B では、それらすべての配線を 1 本の低コストの 間を短縮することが可能になります。 2 線式 UTP ケーブルに置き換えることができます。その構成に まとめ より、最も厳しい車載 EMC/EMI（電磁両立性／電磁干渉）規格 の要件に適合することがテストによって確認されています。 A2Bは、新たなデジタル・バス・アーキテクチャです。多くの 配線を必要とするオーディオ／制御アプリケーション向けに、 マイクを接続するための効率的で費用対効果の高い方法につい 機能セット、性能レベル、システム・コストが最適化されてい ては、様々なアプリケーションを設計する際に優先的に検討し ます。以下、本稿の要点をまとめます。 なければなりません。Bluetooth による接続やハンズフリー機 能、音声認識システムは、装備すべき標準的な機能になりつつ X A2Bを採用すれば、アナログ方式の接続を使用する場合より あります。また、一部の地域では、eCall システムの装備が既 も優れたオーディオ品質が得られます。また、よりコストの に義務付けられています。メーカーは（2 ～ 4 本の）マルチマ 高いデジタル・バス・アーキテクチャと同等のスケーラビリ イク・システムの採用を進めています。個別に構成する場合で ティが実現されます。 も、モジュールとして構成する場合でも、A2B 技術を採用すれ X A2Bは、多様な車載アプリケーションに対する低リスクのソ ば、アナログ方式の接続と比べてトータルのシステム・コスト リューションです。 を大幅に削減することができます。特に、マルチマイク・アレ X A22 Bに基づくシステムは2016年から実用化されており、既にイを使用する場合には顕著な効果が得られます。1 つの A B 対 出荷数量は200万台を超えています。 応トランシーバーを使うことにより、最大 4 系統の PDM（Pulse 2 Density Modulation）入力マイクをサポートすることが可能で X アナログ・デバイセズは、機能性を向上したA B対応トラン す。4 系統のマイク・アレイを使用する場合を例にとると、4 本 シーバーの最新製品として、AD2428Wを提供しています。 の配線のうち 3 本が不要になります。 また、それよりも機能を削減してコストを抑えたAD2427W とAD2426Wも製品化しています。集積度と性能のさらなる 向上を目指した製品の開発も予定しています。

著者について オンライン・ Ken Waurin（kenneth.waurin@analog.com）は、アナ サポート・ ログ・デバイセズで車載インフォテインメント・システ コミュニティ ムを担当する戦略マーケティング・マネージャです。主 に、高性能のオーディオ、アクティブ・ノイズ・キャン アナログ・デバイセズのオンライン・サポート・コミュ セリング、ネットワーク接続といった技術を扱っていま ニティに参加すれば、各種の分野を専門とする技術者 す。 との連携を図ることができます。難易度の高い設計上の問題について問い合わせを行ったり、FAQ を参照し たり、ディスカッションに参加したりすることが可能 です。 ez.analog.com にアクセス ＊英語版技術記事はこちらよりご覧いただけます。 本　　　　社 〒105-6891 東京都港区海岸1-16-1　ニューピア竹芝サウスタワービル10F 大阪営業所 〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原3-5-36　新大阪トラストタワー10F 名古屋営業所 〒451-6040 愛知県名古屋市西区牛島町6-1　名古屋ルーセントタワー40F ©2018 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 本紙記載の商標および登録商標は、 各社の所有に属します。 Ahead of What’s Possible は アナログ・デバイセズの商標です。 www.analog.com/jp TA13490-0-10/15