真实还原汽车引擎声浪——唯创知音WT2003Hx语音芯片方案，高质量移频算法有效提升真实感和互动性

时间： 2024-06-25 来源：唯创知音公众号

技术问答

唯创知音 WT2003Hx是一款高性能的MP3音频解码芯片，具有成本效益、低功耗和高可靠性等特点，适用于多种场景，包括但不限于汽车娱乐系统、玩具、教育设备以及专业音响设备等。在模拟汽车引擎声的应用中，这一芯片的特性被特别地加以利用，以满足市场上对沉浸式驾驶体验的需求。

此类应用主要面向汽车后市场，尤其是那些对驾驶体验有高度追求的车主，以及汽车改装爱好者。此外，随着电动汽车的普及，模拟引擎声音的解决方案也吸引了电动汽车制造商，因为电动车运行时较为安静，模拟引擎声可以提升驾驶体验并增加行人安全警示。不仅限于私家车辆，还可能扩展到赛车模拟器、汽车展示厅、主题公园的驾驶体验项目，甚至是一些高端的儿童玩具车，以提升产品的娱乐性和互动性。

随着技术的进步和消费者对个性化、差异化体验需求的增长，模拟汽车引擎声的应用市场预计将持续扩大。特别是在电动汽车市场，随着全球推动绿色出行，模拟引擎声音成为了解决电动车行驶静音问题的一个创新方案。

虽然市场上存在其他解决方案，如基于软件的手机应用程序或专门的引擎声音模拟器硬件，但基于WT2003Hx芯片的方案凭借其一体化、高性价比和音质优势，在特定细分市场中具有较强的竞争力。

综上所述，基于WT2003Hx芯片的模拟汽车引擎声应用市场前景广阔，尤其在追求驾驶乐趣和声音体验的细分市场中潜力巨大，有望成为未来汽车娱乐系统和个人娱乐设备中的一个重要组成部分。

产品方案对比

传统方案：变速变调

基本原理：传统方案通常基于简单的变速变调技术，即通过改变音频样本的播放速率来模拟引擎转速的变化。当汽车加速时，音频播放速度加快，反之则减慢，以此模拟真实的引擎加速和减速过程中的声音变化。

声音效果：这种方式可以提供基础的加速感，但可能会导致音高与速度之间的不自然关系，听起来可能不够真实，尤其是当速度变化较大时，声音的音调变化会显得突兀。

实现难度：技术实现相对简单，不需要复杂的算法支持，易于快速部署。

优化方案：移频

基本原理：移频技术在保持原始音频的时长不变的基础上，独立调整音频的音高。这种技术可以更精确地模拟引擎声音的变化，同时保持自然的音调和音色，即使在大范围速度变化时也能保持声音的真实感。

声音效果：优化方案能够提供更加细腻和真实的听觉体验，通过对声音频谱的细致调整，可以模拟出包括换挡时的细微声响变化，使驾驶者感受到更为贴近真实车辆的驾驶体验。

实现难度：相比传统方案，移频技术的实现更为复杂，需要高级的音频处理算法和计算资源。这可能涉及信号处理、频域分析和变换等复杂步骤，以确保音质不失真且自然。

应用实例：如Bose等公司开发的电动车引擎声模拟技术，不仅模拟了传统燃油车的多种声音组合，还通过精密算法创造出身临其境的“发动机”轰鸣感，提升了驾驶者的沉浸感和情感连接。

综上所述，移频方案在模拟汽车引擎声方面提供了更高质量的体验，通过精细的音频处理技术确保声音的真实性和自然过渡，尽管其实施成本和技术复杂度相对较高。而传统方案（变速变调）则是一个成本效益较高、易于实现的选择，但在声音的真实感和质量上可能有所欠缺。随着技术的进步和消费者对体验要求的提高，优化方案正逐渐成为高端汽车音响设计的趋势。

芯片介绍

3.1芯片资源

32位MCU，内置Flash；

两个UART控制器（UART0/1）；

两个SPI（SPI0/1），支持主模式和从模式；

四通道PWM输出；

内置0.5W/8欧PWM功放；

10位ADC；

低至2ua的掉电模式（深度休眠模式）；

强大的IO驱动能力，最大提供64mA驱动电流；

支持用户远程更新或批量生产更新功能/语音内容

3.2封装介绍

WT2003H系列芯片的封装有SOP16、TSSOP24和QFN32，适合应用于各种场合，其引脚简图以及管脚定义如下：

SOP16封装：

TSSOP24封装：

QFN32封装:

功能介绍

WT2003HX芯片虽然主要设计为语音播报芯片，用于播放预置的语音信息，利用其强大的音频处理和播放能力，同样可以应用于模拟汽车引擎声的场景。

4.1语音播报

WT2003HX支持MP3等高质量音频格式，能够播放清晰、逼真的汽车引擎音频，为用户提供沉浸式的模拟体验。其高性能32位处理器保证了音频的流畅播放，即使在复杂的音频片段中也能保持声音的自然度和细节。内置有不同容量的Flash存储空间，允许存储长达100秒至1000秒的音频内容，足以覆盖从怠速到全速的各种汽车引擎声音样本，满足不同情境下对引擎声音模拟的需求。

4.2移频功能

音频的移频（Audio Frequency Shifting）是指在音频信号处理过程中，通过数字信号处理技术改变音频内容中所有频率成分的整体偏移，而不改变音频的时序和时长。这通常涉及将音频信号的频谱整体向上或向下平移，从而改变其听起来的音高(音调)，需要注意的是，移频处理时保持原始信号的音质和自然度是一大挑战，过度的移频可能会引入失真或不自然的音色。因此，高质量的移频算法通常需要精心设计以保持音质。

指令介绍

5.1协议说明

一线串口模式可以利用MCU通过DATA1线给WT2003HX-16S/24SS/32N系列语音芯片发送数据以达到控制的目的，可以实现控制语音播放、停止、循环等。

5.2 通信管脚

5.3一线语音地址对应关系

注意:如要播放该地址语音，只要发送该地址就能自动播放该地址语音，两条地址指令时间间隔需大于4ms。

5.4一线语音及命令码对应表

注意：在未停止播放的情况下，如果没有命令码F3H，只有语音地址，就会打断之前在播放的语音，连码指令必须配合地址使用（例如：F3H+00H+F3H+01H）。F3H可以方便的组合不同语音，F3H+地址A+F3H+地址B，最大可组合10组内容，首组指令必须为F3+地址；也可以通过判断语音播放时的BUSY电平和播放结束时的BUSY电平的变化，完成组合播放。

5.5一线串口时序图

芯片在DATA脚下降沿行唤醒，唤醒后需间隔100ms后才能有效接收命令；此命令带掉电记忆。

先把数据线拉低4~20ms后，推荐5ms，发送8位数据，先发送低位，再发送高位，使用高电平和低电平比例来表示每个数据位的值。

注意：必须高电平在前，低电平在后。

推荐使用200μs：600μs或400μs：1200μs（电平拉宽时在一定情况下有利于通信稳定性）。取值上下限参考：40μs：120μs~400μs：1200μs。注意使用3：1和1：3电平比例以保障通讯稳定。

假如我们要发送96H，先发送低位，再发送高位，那么他对应的时序图，如下所示：

假如我们要让芯片依次播放01/02/03/04地址的语音内容。即连码指令播放、F3+01+F3+02+F3+03+F3+04。对应时序可以如下图所示：

注意：因为WT2003HX上电需要一定的初始化时间，初始化期间无法响应指令，因此建议用户使用连码功能时，一组连码地址发送之后延时2ms再发送下一组连码地址；但是F3与地址之间的间隔还是2ms；

休眠后芯片默认上拉，语音播放结束将DATA拉高。

方案展示

符合电动汽车低速提示音GB/T37153—2018国家标准要求，符合电动汽车低速行驶提示音工作的车速范围、声级限值、频率要求、声音类型以及暂停开关等要求。

在模拟汽车引擎声的场景中，移频技术的应用主要通过创造一种动态的声音变换效果，以模仿汽车引擎在不同转速和负荷条件下音调的变化。虽然传统意义上的移频技术主要应用于音频信号处理和助听器等领域，将其概念扩展到汽车引擎声音模拟中，可以构思如下方案：

1)音频采样与处理：

首先，采集一系列真实的汽车引擎声音样本，涵盖从怠速到高转速的全部范围。使用音频编辑软件对这些样本进行预处理，以确保每个样本的质量和一致性。

2)移频算法设计：

算法需能够根据模拟的车速或油门位置动态调整音频的频率，模拟出引擎随着转速变化而产生的自然频率变化。

3)控制系统集成：

将WT2003HX芯片与外部控制系统（如MCU）结合，MCU负责根据模拟汽车的实时状态（如模拟车速、油门踏板位置）计算出所需播放音频的移频参数。控制系统发送指令给WT2003HX，选择或动态调整播放对应移频处理后的引擎声音样本。

4)实时响应与交互：

实现实时响应，确保当用户操作(如加速、减速)时，引擎声音能迅速、自然地随之变化;提供可调节参数，允许用户根据个人偏好或模拟场景的需要调整引擎声音的特征，如音量、音调等。

5)音频播放优化：

利用WT2003HX的高质量音频播放能力，确保移频处理后的引擎声音不失真、自然流畅。优化存储管理，合理安排存储空间，存储不同状态下的移频处理引擎声音样本。

6)用户体验：

关注最终用户体验，通过多次调试确保模拟的引擎声音真实、连贯，增加模拟驾驶、游戏或教育工具的沉浸感。

WT2003HX芯片通过巧妙整合外部处理单元和控制逻辑，可以设计出一套完整的解决方案，有效地在模拟汽车引擎声的场景中应用移频技术，提升模拟的真实感和互动性。这要求软硬件的紧密协作，以及对音频处理和控制逻辑的深入理解。

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