Qualitätskontrolle von A2B-Mikrofonmodulen
A2B* (kurz für Automotive Audio Bus) ist eine digitale Netzwerktechnologie von AD (Analog Devices). Sie wurde entwickelt, um alle Audiogeräte und -komponenten innerhalb eines Autos zu verbinden. Das praktische Merkmal von A2B ist, dass die Verbindungen über ein zweiadriges, ungeschirmtes Twisted-Pair-Kabel (UTP) realisiert werden. Dies führt zu einer deutlichen Reduzierung des Gewichts und der Komplexität von Kabelbäumen. Die zweiadrige A2B-Schnittstelle bietet Stromversorgung, Netzwerksteuerung sowie bidirektionale, hochwertige digitale Audioübertragung auf mehreren Kanälen.
Ein typisches A2B-Gerät, das ich häufig in meiner täglichen Arbeit sehe, sind Mikrofonmodule mit einer A2B-Schnittstelle. Diese Module enthalten eine Anordnung von beispielsweise drei oder vier digitalen MEMS-Mikrofonen. Das Modul befindet sich normalerweise in der Nähe der zentralen Overhead-Konsole. Dies ermöglicht gerichtetes Hören (Beamforming) in einer Freisprech-Kommunikationsanwendung.
Die A2B-Schnittstellendefinition ist proprietär. Um auf die Audiodaten zuzugreifen, um beispielsweise die Qualität der Mikrofonanordnung zu testen, ist ein Gerät erforderlich, das die A2B-Netzwerkdaten entweder in ein analoges oder ein digitales AES/EBU-Audioformat decodiert. Die decodierten Audio-Kanalsignale (z. B. der digitalen MEMS-Mikrofone) können dann zur Prüfung an den Audioanalysator weitergeleitet werden. Es sind einige solcher Decodierungsgeräte kommerziell erhältlich. Sie sind programmierbar und können in bestehende Mikrofonprüfsysteme integriert werden.
A2B Analyzer von Mentor Automotive
Sobald das Audiosignal für den Audioanalysator zugänglich ist, werden die Messprüfungen für digitale MEMS-Mikrofonanordnungen durchgeführt.
Die typischen Parameter von Interesse für eine QC-Prüfung sind Empfindlichkeit, Frequenzgang, Klirrfaktor und manchmal das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Für eine vollständige Mikrofoncharakterisierung, die typischerweise in einer Laborumgebung durchgeführt wird, werden Parameter wie EIN (Equivalent Input Noise) und Dynamikbereich gemessen oder berechnet. Optional kann das Richtungsverhalten eines Mikrofons bei verschiedenen Frequenzen mithilfe eines Drehtellers gemessen werden.
Für alle absoluten Messungen (solche, die nicht in % oder dB ausgedrückt werden) ist die Einheit für digitale MEMS-Mikrofone dBF. Dies steht für „Dezibel unterhalb der Vollaussteuerung“ und beschreibt den Headroom eines digitalen Mikrofons von 94 dBSPL (1 Pa) bis zum maximalen digitalen Ausgang dieses Mikrofons. Dieser Punkt des maximalen digitalen Ausgangs wird auch als AOP (Acoustic Overload Point) bezeichnet.
Akustik vs. digitaler Bereich
Für die Charakterisierung der Leistung des kompletten A2B-Mikrofonmoduls ist es von Interesse, wie sich die zusammengebauten MEMS-Mikrofone relativ zueinander verhalten. Ein typischer Parameter ist die „Empfindlichkeitsspanne“; die Differenz zwischen der höchsten und niedrigsten Empfindlichkeit, die an den zusammengebauten MEMS-Mikrofonen gemessen wird.
Besonderheiten digitaler MEMS-Mikrofone
Digitale MEMS-Mikrofone liefern Daten im ½-Zyklus-PDM-Format. Das Mikrofon benötigt einen CLK-Eingang und liefert seine Daten an einem DATA-Ausgang. Darüber hinaus teilen sich zwei Mikrofone eine Datenleitung. Daher ist jedes Mikrofon so konfiguriert, dass es entweder ein „linkes“ oder ein „rechtes“ Mikrofon ist. Dies geschieht durch Festverdrahtung des L/R-Eingangs entweder mit Vdd oder mit Masse.
Im Normalbetrieb schreibt das „linke“ Mikrofon bei jeder steigenden Flanke des Taktsignals ein Datenbit, während das „rechte“ Mikrofon bei jeder fallenden Flanke ein Datenbit schreibt. Während ein Mikrofon Daten schreibt, versetzt das andere seinen DATA-Ausgang in einen hochohmigen Zustand. Auf dem A2B-Codec, der die Daten empfängt, werden die linken und rechten Signaldaten dann getrennt und zu zwei Signalströmen zusammengefügt.
Normalbetrieb von zwei digitalen MEMS-Mikrofonen
Was passiert aber, wenn eines der beiden Mikrofone nicht korrekt zusammengebaut ist oder fehlt?
Betrieb mit einem inoperativen oder fehlenden MEMS-Mikrofon
In diesem Beispiel fehlt das rechte Mikrofon. Daher schreibt nur das linke Mikrofon auf die Datenleitung. An den fallenden Flanken versetzt das linke Mikrofon seine DATA-Leitung in einen hochohmigen Zustand. Daher behält die DATA-Leitung ihren Zustand bei, wie er zuvor vom linken Mikrofon geschrieben wurde. Infolgedessen scheint aus der Perspektive des empfangenden A2B-Codecs das rechte Mikrofon genau die gleichen Daten wie das linke Mikrofon zu liefern. Die beiden Datenströme sind identisch! Dieses Problem muss vom Mikrofonprüfsystem behoben werden, da das Erkennen eines fehlenden Mikrofons eine grundlegende Pflicht beim Testen eines A2B-Mikrofonmoduls ist.
A2B-Modulprüfsystem – Übersicht
Das grundlegende Messsystem zum Testen einer A2B-Mikrofonmodulanordnung besteht aus einem Audioanalysator, einem A2B-Decoder, einem Referenzlautsprecher und einem Referenzmikrofon. Eine PC-Software steuert typischerweise ein solches System.
A2B Mic Module QC-Software
*A2B ist ein eingetragenes Warenzeichen von Analog Devices Inc.