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2019我国智能制作开展论坛 菲尼克斯电气Radioline无线体系
现场外表

智能音箱规划中的重要考量要素:分析规划中的利与弊

  2019年03月29日  

  Wenchau Albert Lo 个人电子产品运用体系工程师Mike Gilbert

  个人电子产品运用终端设备司理

  毋庸置疑,语音操控扬声器(常称为智能音箱)是一种抢手的消费类产品。

  依据商场调研公司eMarketer 的数据显现,2017 年,3,560 万美国顾客每个月至少运用一次声控设备,而且该数字以近 50% 的复合年均添加率添加。

  未来的商场猜测也比较达观。Juniper Research 猜测,到 2022 年,大多数美国家庭中都将设备Amazon Echo、Google Home、Apple HomePod 和Sonos One 等智能设备。他们还猜测,将会有7,000万家庭在家中设备至少其间一种智能音箱,设备设备总量将超越 1.75 亿台。关于一个在 2014 年 11 月之前还不存在的产品类别来说,这特别令人形象深入。

  但比较于与互联网接口结合运用的麦克风和扬声器, 这些外形看似简略的设备往往更杂乱。智能音箱包括许多电子功用,这些功用均经过选用数十种杂乱的集成电路(IC) 来完成。原始设备制作商 (OEM) 凭仗差异化产品进入智能扬声器商场,他们有必要决议要供给哪些设备、怎么进行供给以及此类小型低功耗设备中可选用的折衷计划。

  智能音箱的实践效果有哪些?怎么在家庭中运用智能音箱?简而言之,智能音箱首要经过捕获终端用户的语音指令并将其数字化,再将成果传输给依据网络衔接的云服务进行解读,然后经过操作指令或呼应成果对终端用户做出呼应。智能音箱也可以从具有网络或

  Bluetooth® 衔接设备查找并播映音频内容。如图 1 所示,现在许多智能音箱都可以与家中的其他设备交 互,如灯、门锁和温度操控体系等。

  OEM 厂商不单单仅仅期望他们的产品在这一进程中可以锋芒毕露;更多的是,它们期望以此获取房间,甚或是整个住所的信息拜访和传输的操控权,然后成为仅有的数字化媒体和家庭主动化集线器。

图1.作为一种媒体播映器,智能音箱有必要规划简略,外形高雅,且能供给杰出的音质。作为一种智能家居集线器,它们有必要为家庭中的整套智能设备供给精确的语音辨认和衔接。

  让智能音箱成为实际

  智能音箱需求很多电路才干完成其正常并杰出地运 行。要完成这一方针,咱们便需求一系列杂乱的模仿、数字、混合信号和电源办理子体系、接口等,并让其完成互连(图 2)。

  除此之外,咱们还有许多规划问题需求处理,如麦克风、音频输出和扬声器、电源办理、用户界面以及无线衔接应选用何种数量和类型。关于 OEM 厂商来说, 首要问题便是是否运用“黑盒”芯片组,其间包括用于音频解码和信号处理的片上体系(SoC)、集成 Wi-Fi®和蓝牙无线电的微操控器(MCU)。有的时分,这还包括自定义电源办理IC (PMIC)。可是,这种“罐装”式处理计划不能为产品差异化供给太多规划空间。现在就让咱们一起来看看智能音箱体系中的规划范畴和应战。

  图 2.TI 智能音箱体系方框图

  麦克风

  挑选麦克风技能时,每种技能的利与弊或许并不显着。对此,咱们可以挑选以下恣意一种计划:

  •依据微电子机械体系(MEMS) 的“模仿”麦克风。它带有集成前置放大器,调配外部 24 位音频模数转换器(ADC),可将格局化数字代码输出到 SoC。

  •依据MEMS 的“数字”麦克风。它带有单比特一阶Δ-Σ 调制器ADC,可输出脉宽调制 (PDM) 数字比特流,需求进一步滤波以创立格局化数字代码。无论是专用于语音辨认的SoC ,仍是数字信号处理器

  (DSP) 都有必要处理这种滤波。独立的语音 DSP 可减轻SoC 的很多处理作业,却也会添加本钱。

  数字麦克风的价格比模仿麦克风更贵重,但模仿麦克风的 SoC 前端也将需求额外配有的 ADC。鉴于传感器尺度需习气麦克风封装内的 ADC 以及集成 ADC 本身的功用约束,与带有独自 ADC 的模仿麦克风比较起来,数字麦克风还具有较低的信噪比 (SNR) 和较小的动态规模。常见的数字麦克风的 SNR 约为 65dB, 动态规模约为 104db。当 ADC 集成后,咱们就无法经过滤波和过采样进一步进步 SNR 或动态规模。

  另一方面,模仿麦克风与外部 ADC 相结合,其 SNR 或动态规模(两者在 ADC 中的含义同等)可高达

  120dB。这种外部 ADC 一般是 24 位多通道高精度音频ADC,选用具有高过采样功用的三阶或四阶 Δ-Σ 调制器。它们还集成了杂乱的可编程数字抽取滤波 器;具有可装备的主动增益操控功用的 PGA 以及用于额外噪声过滤和均衡的微型DSP。假如在典型的拥堵房间内或正在播映音乐的房间内,周围环境中的声响等级很简略到达 60dB,除非终端用户挨近麦克风或许运用更多的麦克风来使其指令远高于环境音, 不然,数字麦克风的较低动态规模就或许导致无法正确辨认语音指令,动态规模从 104dB 进步至 120dB, 将会带来惊人的效果,这需求咱们仔细考虑。假如咱们将动态规模进步 6dB ,那就可以让语音辨认规模扩展一倍。在某些时分,过多地扩展动态规模是不切实践或是无用的,但您也可以凭此获取更多的规划空间。额外添加 14dB 的动态规模后,您可以经过削减所需的麦克风数量来节约本钱。添加字麦克风后, 除了会添加本钱外,体系还会按照 SoC 本身可用的PDM 输入数量将每对麦克风的三条信号迹线(数据和时钟)路由到 SoC,然后添加了布局杂乱性,因而 这是不行行的。事实是,每条信号迹线都会承受和/或 辐射噪声,这会让电磁搅扰成为更大的问题。最终,运转至每个数字麦克风的时钟线路会形成路由和颤动方面的难题。现在模仿麦克风具有不同的输出,支撑对信号布线的共模按捺。ADC 还为每个麦克风供给偏置电源,可为阵列下降电源树的杂乱性。

  图 3.圆形麦克风板参阅规划

  运用配有精细ADC 的模仿麦克风可以扩展麦克风规模并进步灵敏度,不只可以下降本钱和杂乱性,还可以明显削减在各种噪声环境下指令辨认过错。跟着第二代智能音箱的推出,这一过错率将逐步成为一项重要的商场优势。

  在选用多麦克风规划和语音辨认时,咱们也无需从头规划。依据PCM1864 的TI 圆形麦克风板(CMB) 参阅规划(如图 3 所示)运用两个 4 通道音频ADC 与一组模仿麦克风(最多含八个)衔接,而且可以在喧闹的环境中提取明晰的用户语音指令。

  扬声器放大器和电源

  关于扬声器放大器,您需求在输出功率(一般介于

  5W 和 25W 之间)、功耗、热功用、尺度、扬声器维护以及声响保真之间进行权衡。

  带有一个中程高频扬声器和低声扬声器的简易扬声器体系可以发生超卓的音质,一起,假如结合运用最新的音频处理技能,多个扬声器可供给 360 度音频体会。

  您也可以挑选履行一次性室内校准以调整并以最佳办法匹配扬声器的频谱特性,或许选用更杂乱的自习气调理办法补偿声区内的音效。TI PurePath 操控台图形开发套件可以供给简略的一次性调优并到达 超卓的效果。

  在功耗和热功用方面,下降继续功耗的一种办法是将放大器脉宽调制计划与自习气电源相结合来下降扬声器的电源要求。这种技能对 D 类输出运用可变(非固定)开关频率,一起依据音频内容更改频率。也便是说,内容越多,开关频率就越高;内容越少,开关频率就越低。

  为了进步功率,您也可以依据内容动态调整放大器的输出电源电压。这种技能称为包络盯梢。它仅在音乐 需求进步功率时盯梢音频内容并进步电压(输出功 率),特别是在重低声部分(信号内容中有许多峰值)。

  数字输入、D 类、IV 感应音频放大器的立体声评价模块参阅规划(如图 4 所示)不只承受多种格局的数字输入并供给高质量音频,其 D 类拓扑还包括其他功用, 可以最大程度地下降多个输出等级的功耗,而不会下降保真度和功用。

  电源办理

  与大部分电子体系相同,电源办理在体系规划中发挥 着重要效果。咱们的最终方针是有用地供给电源以减 少热耗散,然后完成外形更小、本钱更低的体系,并延 长便携式体系的电池运转时刻。SoC 和Wi-Fi 芯片组有时与专用PMIC 绑定在一起,但您仍或许会更倾向于经过运用独自的直流/直流转换器、低压降稳压器和电压监控器来修正功用(如定序)、更改电路板布局 并下降噪声和/或本钱,来添加电路板布局空间并进步分立式完成的供货商灵活性。

  图 4.立体声评价模块参阅规划

  除了固定的集成处理计划供给的功用(例如以较低的静态电流运转或运用较高的开关频率(如 1.4MHz 至

  4MHz)以外,您或许还期望优化规划来下降占用空 间,以满意对更小电感器的需求。或许您也可以运用脉冲跳动或ECO 形式以在轻负荷下节约电力,一起, 请不要将音频频带切换到 20kHz 以下(这或许会导致可闻噪声)。此外,您还或许需求体系输入电压具有灵活性。这些放大器需求 12V 至 24V 电源,该电源可经过内部电源或外部电源适配器供给。

  内部沟通/直流电源可以供给主电源,但输出电压为

  12V 或 5V 的外部沟通/直流壁式适配器更为常用,详细取决于所需的扬声器电源。可以经过适用于低功率扬声器的微型USB 接口或适用于高功率扬声器的新式的流线型USB Type-C™ 来供给主电源,替代粗笨的传统壁式沟通/直流适配器和桶形插座。因为这些适配器的功率等级不同,运用 USB Type-C 需求从扬声器到适配器的某种等级的握手,或许选用输入USB 电流限位开关或具有集成式过流和过压维护的电池充电器。

  关于便携式音箱,一种称为电源途径办理的技能支撑运用外部沟通/直流壁式适配器为电池充电,一起经过一个集成式调理器为扬声器“实时”充电。假如您需求更高的扬声器放大器电源轨(如 12V 或 18V),一种挑选是运用两节 8V 电池,然后依据扬声器放大器的需求进步电压。电池充电器需求将输入电压进步到更高的电池电压(假如适配器输出电压为 5V),而且您需求对扬声器放大器电源轨运用额外的升压转换器, 以在峰值功率的条件下完成更高的电压。此外,便携式智能音箱体系有必要具有低待机功耗等级和有用的降压转换器,以完成在电池是仅有的电源时,可在充电周期之间供给更长的运转时刻。

  因为音箱是首要电源耗费设备,因而与其放大器需求严密相关的电源可完成具有本钱效益的低功耗规划。适用于音频功率放大器的包络盯梢电源参阅规划(如图 5 所示)便是此类处理计划的一个很好的示例:它以 5.4V 至 8.4V 的输入电压轨运转,并向 8Ω 负载供给 2 × 20W 功率(运用 7.2V 电源轨)。此外,它可以按照音频信号的峰间包络更改输出电压,然后在输出电压规模内坚持高功率。因而,它依据音频内容动态 调整功率放大器的电源,然后优化其功耗。

  图 5.包络盯梢电源参阅规划

  用户界面

  您有必要依据所需的终端用户体会决议供给哪种类型的用户界面,因为人机界面是智能音箱商场差异化的一个首要要素。这种界面或许包括本钱较低的简略按钮和单指示器LED、旋转 LED 阵列、小型 LCD 显现屏以及具有触控输入和触觉反应功用的LCD 显现屏。

  LED 根本用于指示状况,最近也用于经过以各种图画

  生成动态色彩来进步终端用户体会。较简略的体系或许运用单色LED,但大部分体系运用红、绿、蓝 (RGB)

  LED。假如您挑选多色 LED,则需求确认运用多少个 RGB LED,以及体系处理器、MCU 或装有集成式LED引擎的新式多LED 驱动器是否会操控它们。每种挑选均需权衡本钱、电源和体系方面的考量。运用集成式LED 图形引擎可以在处理器办理图形生成时减轻其担负,并在处理器或 MCU 进入低功耗待机形式时驱动RGB LED 阵列。

  如图 6 所示,各种LED 环形灯照明图画参阅规划说明了怎么运用装有集成式LED 引擎的新式多通道RGB LED 驱动器规划多色RGB LED 环形灯图形子体系。运用环境光传感器 IC 可主动操控LED 亮度。

  相应面板按钮的价格或许很低,但它们更简略出现机械故障且只具有单一功用。这种按钮需求终端用户“ 按住”才干履行操作(向上、向下、翻滚),在智能手机范畴,这种操作现已过期且与有悖于惯例运用习气 的。比较之下,电容式触控的灵敏外表可支撑更多交互并可以增强用户界面功用。这种触控办法的外表无需物理外力即可检测到终端用户的挨近,并支撑背光在漆黑环境中更易于运用。与简略的按压不同的是, 触控灵敏外表可经过支撑“轻滑”或“旋转”,让用户更易于接触到了解的界面,然后可以让智能音箱锋芒毕露。规划合理的电容式触控操控器可在各种外表,如塑料、玻璃或金属原料上运转,而且可以与音箱外壳外表齐平。

  依据手势的电容式触控扬声器界面参阅规划(如图 7 所示)供给了一种易于运用的评价体系,用于运用 TI 电容式触控MCU 的智能扬声器的多手势电容式触控界面。此规划支撑点击、轻滑、滑动和旋转手势。

  无线衔接

  最终,还有一个根本的开箱运用问题。假如未衔接到互联网,智能扬声器将无法正常作业。考虑到速度要求和功率约束,咱们将为您供给有关最佳衔接办法的规划决议计划。

  最常见的智能音箱可经过Wi-Fi 直接衔接到互联网。在这里,IEEE 802.11n 的宽带捉襟见肘,它还支撑多室无线扬声器网状衔接。不过,Wi-Fi 功率放大器会耗费很多功率,或许会约束电池供电的智能音箱的运转时刻。因而,支撑 Wi-Fi 衔接的音箱一般直接插入到壁装电源插座或装有支撑继续运转的沟通适配器。

  为了可以尽或许多的掩盖到房间或进步立体声响质, 用户往往会期望运用多个智能扬声器设备,这就需求IEEE 802.11n/s 的宽带支撑来完成网状网络。在网状网络中,任何一个扬声器均可以在其他扬声器用作隶属方时成为主控方(衔接到云)。假如作为主控方运转的扬声器断电或断网,网状网络将主动分配其他扬声器作为主控方。而在多扬声器网状网络中,最大问题是同步。

  图 6.各种LED 环形灯照明图画参阅规划

  网状网络中的Wi-Fi 操控器有必要具有牢靠的同步计划,以防止为用户带来费事。

  电池供电的便携式音箱或许会将Wi-Fi 云衔接转移到邻近的移动设备上。假如要衔接到移动设备以完成直接云衔接和/或收听移动设备上存储的内容,则需求运用传统蓝牙(或蓝牙根本速率)来完成继续衔接, 以对音频内容进行流处理,这是由低功耗蓝牙的宽带约束和电源计划所造成的。当与传统蓝牙协作运用时,低功耗蓝牙可以操控设备之间的通讯。

  家庭主动化是现在作为独自实体存在于许多家庭中的另一个功用。作为一种独立集线器,它可以经过Wi-Fi 衔接到互联网,也可以经过对家庭主动化(依据

  Zigbee®、Thread、Z-wave 等规范施行)设置无线网状网络与专用灯具和恒温器完成链接。只需具有这一附加独立集线器,智能音箱就可以合理地宣告经过互联网供给家庭主动化。

  图 7.依据手势的电容式触控界面参阅规划

  可是,为了让终端用户无需购买这种额外的无线集线器,智能音箱可以简略地添加带有集成式射频功率放大器的多频带无线 MCU,然后成为家庭主动化集线器。无线 MCU 处理协议栈操作并操控无线电,防止加剧现有 SoC 或 Wi-Fi 网络处理器的担负,一起支撑经过常用的远间隔家庭主动化协议(包括 2.4GHz 和低于 1GHz 的频带)进行通讯。因为 Wi-Fi 和蓝牙也运用 2.4GHz 频带,所以您需求经过集成式无线 MCU 中内置的硬件和软件的组合来保证两者共存。

  展望未来

  未来的智能音箱将不只仅仅供音频运用的独立设备。因为平板电视愈加轻浮,意味着需求更小的扬声器,这将会对电视声响发生负面影响。因而,可增强平板电视音效的条形音箱将日渐遍及。添加语音辨认功用很显然是条形音箱开展的下一步。

  要完成这一愿景,智能条形音箱将需求包括一个用于无线视频流的机顶盒,一起仅有一条 HDMI 电缆衔接到电视,电视则被作为巨大的显现器来运用。因为平板电视愈加轻浮,电视操控线路和电源也可以在智能条形音箱中完成。然后,智能音箱和智能条形音箱将争相成为整个家庭文娱体系的集线器。添加家庭主动化衔接后,这些设备也将争相成为智能家居的主动化集线器。

  另一个新增功用是智能音箱显现屏。向智能扬声器添加显现屏是对其功用的天然扩展。正如轿车中不断添加中控台显现屏,顾客也要求家庭信息化/文娱设备供给额外的视觉体会。咱们还可以看到的是,内容的恳求和显现办法将不同于手持智能手机或平板电脑体会。因为语音指令是恳求内容和操控的首要形式,因而咱们将需求运用简化的查找和操控运用来协助快速获取精确的成果。此外,咱们还可以简化显现的图画,下降对接触交互的需求,一起还供给合适远间隔观看的超大图画。

  这将供给明晰的视觉内容,使得顾客在与智能音箱交互时可获取更愉快的体会。

  凭仗这种新增的显现功用,智能音箱便可以在客厅中让坐落智能条形音箱,然后专心于客厅以外的区域。智能音箱可供给小型个人显现屏,从集成式 LCD 屏幕到大型超短距高清投影(运用 TI DLP® 技能在恣意外表上创立大型显现屏)。在高流量区域,如厨房或起居室邻近的智能设备则需求愈加漂亮且不受搅扰。添加一个平板电脑巨细或更大的平板显现器并不总是契合这些规范。在用户经过智能音箱获取信息,如气候、烹饪、交通等以及对匿名声响做出表情时,投影显现技能可以供给更具互动性的体会。由此,智能音箱在家庭中的效果和重要性便将不断改变和开展,然后为规划师带来了新趋势和让其规划异乎寻常时机。

  了解更多信息

  • 了解TI 智能扬声器处理计划和规划资源。

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