|
音頻是許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不可或缺的組成部分, 包括消費(fèi)品（如揚(yáng)聲器、耳機(jī)、可穿戴設(shè)備），醫(yī)療設(shè)備（如助聽(tīng)器），自動(dòng)化工業(yè)控制應(yīng)用、娛樂(lè)系統(tǒng)和汽車(chē)的信息娛樂(lè)設(shè)備等。 物聯(lián)網(wǎng)的聲音可大致分為三類(lèi): 流媒體(即音樂(lè)、聲音和數(shù)據(jù))、語(yǔ)音識(shí)別 / 命令, 以及藍(lán)牙和 Wi-Fi 無(wú)線連接播放(例如, 將多通道音頻通過(guò) Wi-Fi 傳輸?shù)郊彝キh(huán)繞立體聲系統(tǒng))。 然而, 設(shè)計(jì)一個(gè)高質(zhì)量、不間斷的音頻子系統(tǒng)可能是一個(gè)挑戰(zhàn), 因?yàn)楣こ處煴仨氉袷鼗谖锫?lián)網(wǎng)設(shè)備所要求的嚴(yán)格約束。 更復(fù)雜的設(shè)計(jì)需要包括先進(jìn)的功能, 例如語(yǔ)音識(shí)別， 使驅(qū)動(dòng)控制汽車(chē)的信息娛樂(lè)系統(tǒng)就像手機(jī)一樣輕松易用。 由于 MCU是所有這些音頻系統(tǒng)的核心, 選擇一個(gè)集成設(shè)計(jì)可能是一個(gè)可靠無(wú)噪音音頻系統(tǒng)所需的。 本文探討了設(shè)計(jì)此類(lèi)系統(tǒng)所需的音頻技術(shù)。 音頻子系統(tǒng)的組件如前所述，物聯(lián)網(wǎng)的音頻包括三個(gè)主要的活動(dòng): 高質(zhì)量的語(yǔ)音 / 數(shù)據(jù)流, 無(wú)線傳輸和語(yǔ)音控制。 圖1顯示了嵌入式系統(tǒng)中的重要構(gòu)件。 圖1 音頻處理子系統(tǒng) 需要注意的是, 許多這些功能可以集成在一個(gè)現(xiàn)代化的單片機(jī)中, 如本例所用的 Cypress CYW43907與集成的 Wi-Fi 802.11 n。 一些基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要音頻技術(shù)可能包括: 音頻應(yīng)用一個(gè)帶有音頻功能的單片機(jī)，允許工程師對(duì)大多數(shù)流行媒體播放器和內(nèi)容提供商使用 mp3 / 4流。 許多設(shè)計(jì)也需要支持 WMA 和蘋(píng)果的 AAC 解碼, 這需要更多的處理能力。 通常可以在消費(fèi)者音頻應(yīng)用程序中使用低成本的音頻單片機(jī), 或者管理音頻配件中的數(shù)字音樂(lè)流, 如數(shù)字揚(yáng)聲器集。 在這些應(yīng)用程序中, 一幀 PCM 音頻數(shù)據(jù)(封裝在 USB 音頻類(lèi)格式中)通過(guò)處理器的 SPI/ I2C 串行通道可達(dá)1 ms。 視來(lái)源而定, 音頻流一般以多種格式中的一種形式出現(xiàn), 但是, 一些低成本的編碼器只能接受一個(gè)特定的格式。 在這些情況下, MCU 在確保數(shù)據(jù)在輸入到編解碼器之前的正確對(duì)齊方面發(fā)揮了重要作用。 由于并非所有音頻來(lái)源都使用相同的采樣率, 所以編解碼器還必須將其采樣頻率進(jìn)行調(diào)整, 或依靠單片機(jī)將取樣數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成一個(gè)通用采樣率(見(jiàn)圖2)。 在這些情況下, MCU 必須管理數(shù)據(jù)流, 以避免在其他情況下導(dǎo)致靜默、持久性污染和音頻中斷, 這種情況會(huì)隨著數(shù)據(jù)丟失而產(chǎn)生, 并擾亂用戶(hù)的聽(tīng)力體驗(yàn)。 需要注意的是, 音頻單片機(jī)也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)音頻子系統(tǒng)的其他功能, 例如在音頻播放過(guò)程中控制照明。 圖2 音頻單片機(jī)可能執(zhí)行格式轉(zhuǎn)換、采樣率調(diào)整和數(shù)據(jù)流管理, 以及支持音頻用戶(hù)界面 為了在廣泛的應(yīng)用中使用音頻, 音頻 MCU 需要支持各種音頻技術(shù)。 圖3顯示了這些音頻技術(shù)的例子。 圖3 音頻技術(shù) 音頻編碼器(編碼器 / 解碼器)音頻編解碼器是音頻系統(tǒng)的主要前端組件。 許多在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序架構(gòu)的 MCU支持硬件中的編解碼功能。 這使得系統(tǒng)可以減少數(shù)字音頻樣本的大小, 以加速無(wú)線傳輸(節(jié)省電力)和減少存儲(chǔ)空間(減少內(nèi)存容量的壓力)。 一個(gè)編碼器可以支持各種音頻格式, 如 AAC, AC-3和 ALAC等。 要做到這一點(diǎn), 它需要一個(gè)解碼接入單元(AU) , 這個(gè)單元在任何音頻后處理(如 DSOLA, SOLA)之前實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)使用像 AAC, AC-3和 ALAC 這樣的標(biāo)準(zhǔn)音頻格式時(shí), 音頻的分類(lèi)方式使得后續(xù)音頻樣本在音頻包數(shù)據(jù)流中指定的格式范圍內(nèi)。 分組間隔也需要被管理, 以允許最小的交叉抖動(dòng)和不間斷操作。 AU 的有效負(fù)載大小允許任何需要執(zhí)行。 基帶處理基帶信號(hào)是模擬或數(shù)字波形中的一組基本頻率, 可以通過(guò)電子電路進(jìn)行處理。 基帶信號(hào)可以由單個(gè)頻率或一組頻率組成, 如果在數(shù)字域中, 數(shù)據(jù)流通過(guò)一個(gè)非多路通道發(fā)送。 基帶被定義為帶有載波信號(hào)的基帶混合, 以產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)。 需要注意的使, 在支持物聯(lián)網(wǎng)音頻的MCU 中, 音頻編解碼器與基帶處理以及RF 可以集成在一個(gè)芯片上。 音頻編解碼器可以在各種無(wú)線收發(fā)器中實(shí)現(xiàn), 以提供語(yǔ)音數(shù)據(jù)和/或音樂(lè)功能。 它還有單音頻和立體聲音頻輸出通道, 以及立體聲輸入。 包丟失隱藏和數(shù)據(jù)復(fù)制過(guò)度的延遲、數(shù)據(jù)包丟失和高延遲抖動(dòng)都會(huì)影響通信質(zhì)量。 突發(fā)數(shù)據(jù)包丟失的可能性隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而增加, 并導(dǎo)致了用戶(hù)可以聽(tīng)到的中斷。 通過(guò)高級(jí)功能, 如丟包隱藏技術(shù), 可以增強(qiáng)通過(guò) Wi-Fi音頻傳輸。 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的源 / 接收器如下: 一個(gè)源捕獲音頻, 通過(guò) RTP 流結(jié)構(gòu)將 PCM 數(shù)據(jù)消除, 并使時(shí)鐘與 PLC 連接的所有源同步。 需要注意的, 無(wú)線通信鏈接的性能取決于鏈接預(yù)算性能的質(zhì)量。 這種連接預(yù)算由三個(gè)因素決定: 傳輸功率、發(fā)射天線增益和接收天線增益。 例如, 如果連接路徑的功率衰減空間損耗大于接收無(wú)線電的最低接收信號(hào)水平, 那么就可以在802.11網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行可靠的通信(見(jiàn)圖4)。 圖4 無(wú)線通信的鏈接預(yù)算性能 語(yǔ)音清晰度提升(SIE)音頻系統(tǒng)中的背景噪聲降低了語(yǔ)音的可理解性。 如果噪音超出一定水平, 那么用戶(hù)將很難理解這樣的語(yǔ)音。 對(duì)于嵌入式設(shè)備而言，實(shí)時(shí)連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別的可用性要求系統(tǒng)能夠提高信噪比。 選擇一個(gè)支持移植和優(yōu)化的大詞匯量持續(xù)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的單片機(jī)可以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程。 喚醒詞檢測(cè)(WUPD)通過(guò)這個(gè)功能，用戶(hù)可以通過(guò)語(yǔ)音激活設(shè)備, 以一種不用手的方式打開(kāi)系統(tǒng)(見(jiàn)圖5)。 圖5 喚醒式短語(yǔ)檢測(cè) 對(duì)一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器進(jìn)行有效的多播多播是一種網(wǎng)絡(luò)處理方法, 用于使用最有效的策略同時(shí)向一組目的地址傳遞信息。 消息只在網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)鏈路上傳送一次, 只有當(dāng)下一個(gè)鏈接分裂到多個(gè)目的地址(通常是在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器上)時(shí)才會(huì)創(chuàng)建副本。 然而, 與UDP一樣, 多播不能保證消息流傳輸導(dǎo)致的消息丟失。 可靠的多播(RMC)提供多播數(shù)據(jù)包的確認(rèn)(僅提供數(shù)據(jù)包) , 以便可靠地傳遞某些特定的多播數(shù)據(jù)包。 發(fā)射機(jī)選擇 RSSI 最弱的接收機(jī)來(lái)確認(rèn)幀。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中, 實(shí)現(xiàn) RMC 意味著 Wi-Fi 發(fā)射機(jī)選擇其中一個(gè) Wi-Fi 接收器來(lái)確認(rèn)幀接收，實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)包含 RMC 專(zhuān)有信息元素的動(dòng)作框架來(lái)通知和啟用承認(rèn)者。 該實(shí)現(xiàn)還包含 特定RMC 的 Wi-Fi 驅(qū)動(dòng)命令, 用于設(shè)置多播 MAC 地址, 并啟用和禁用 RMC。 在傳輸延遲是固定和對(duì)稱(chēng)的情況下, 可以滿(mǎn)足對(duì)音頻和視頻的時(shí)間同步要求。 例如, RMC 可以依靠高度準(zhǔn)確的時(shí)間和同步來(lái)順利傳輸語(yǔ)音、視頻和移動(dòng)數(shù)據(jù)。 從技術(shù)的角度來(lái)看, 實(shí)現(xiàn)高度精確和精確的時(shí)間并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的技術(shù), 因此, 找到一個(gè)可以驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)是非常重要的。 幀格式、前向糾錯(cuò)和分組包復(fù)制對(duì)于音頻流, 時(shí)鐘必須與所有的 Wi-Fi 接收器同步。 一種方法是對(duì)源和接收器設(shè)備用一個(gè)通用的時(shí)鐘，通常被稱(chēng)為壁鐘或系統(tǒng)時(shí)鐘(STC)。 首先, 每個(gè)接收器同步其 STC 與源 / 發(fā)送器的 STC同步。 每個(gè)接收器現(xiàn)在可以恢復(fù)發(fā)射器的時(shí)鐘, 因?yàn)闀r(shí)間戳(可在每個(gè) RTP 數(shù)據(jù)包的擴(kuò)展頭中獲得)反映了媒體相對(duì)于普通時(shí)鐘的采樣速度。 STC 是基于802.1 規(guī)范中所概述的時(shí)鐘值。 由于 STC 和源設(shè)備的媒體時(shí)鐘之間的相關(guān)性(因?yàn)樗c RTP 或媒體時(shí)間戳相關(guān))已為所有接收器設(shè)備所知, 因此每個(gè)接收器都可以重建源設(shè)備的 RTP 媒體時(shí)鐘副本, 并對(duì)其輸出進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐抨?duì)。 一個(gè)透明的時(shí)鐘是一個(gè)硬件，可以用作時(shí)間戳接收和傳輸數(shù)據(jù)包, 盡可能地接近物理接口。 雖然這個(gè)時(shí)鐘值不是用來(lái)回放的, 但它可以用來(lái)通過(guò)系統(tǒng)來(lái)測(cè)量抖動(dòng), 并進(jìn)行一次徹底的性能分析。 智能家居音響系統(tǒng)示例為了理解物聯(lián)網(wǎng)的語(yǔ)境, 考慮一個(gè)智能家庭的例子和音頻在提高智能家居系統(tǒng)整體能力方面可以發(fā)揮的作用。 一個(gè)智能家庭, 家里的設(shè)備和家用電器可以相互交流，并與居住在那里的人們互動(dòng)。 通過(guò)增加它們之間的相互聯(lián)系, 智能家庭不僅提高了我們的生活質(zhì)量, 還提高了我們的安全感。 圖6顯示了一個(gè)智能家居的例子。 圖6 | 在智能家居中, 設(shè)備和電器可以相互聯(lián)系, 也可以與居住在那里的人進(jìn)行交流 智能家居的主要音頻用例之一是通過(guò) Wi-Fi 或藍(lán)牙存儲(chǔ)和共享音頻。 根據(jù)應(yīng)用的不同, Wi-Fi 的選擇各不相同, 取決于范圍和音頻質(zhì)量的要求。 例如, 如果有人在門(mén)口按門(mén)鈴, 而不是只在家里的一個(gè)地方響鈴, 主控制器可以在每個(gè)房間播放特定的聲音。 同樣, 控制器可以將聲音限制在特定的房間, 比如不在嬰兒的育嬰室。 嵌入式控制器可以幫助處理這個(gè)音頻, 通過(guò)管理各種輸出控制功能使系統(tǒng)更加智能。 圖7 智能家居中的無(wú)線音頻揚(yáng)聲器 圖7顯示了一個(gè)智能家居中可能存在的無(wú)線音頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)。 這個(gè)音頻系統(tǒng)可以通過(guò)幾種不同的方式提高音頻體驗(yàn)的質(zhì)量: 重播音頻系統(tǒng)再?gòu)V播音頻系統(tǒng)已成為音頻市場(chǎng)的一個(gè)重要應(yīng)用。 無(wú)線音頻轉(zhuǎn)播系統(tǒng)是智能家居的核心, 它匯集了家中不同的智能設(shè)備, 并代表用戶(hù)做出明智的決定。 例如, 音頻系統(tǒng)可以根據(jù)目前播放的音樂(lè)來(lái)控制房間的照明模式。 它也可以使用文本對(duì)語(yǔ)音識(shí)別來(lái)大聲讀取用戶(hù)通知或電子郵件。 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)音頻設(shè)備，使用者也可以選擇在多房間音頻系統(tǒng)內(nèi)創(chuàng)建區(qū)域。 這種方法創(chuàng)造了一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng), 以確保一個(gè)家總是以最大的效率運(yùn)行, 同時(shí)盡量減少與居住者的互動(dòng)。 要?jiǎng)?chuàng)建這樣一個(gè)生態(tài)系統(tǒng), 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)者需要選擇一個(gè)嵌入式微控制器, 其性能水平和音頻功能將成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的優(yōu)化條件。 數(shù)字信號(hào)處理效果在無(wú)線鏈路傳輸音頻數(shù)據(jù)之前, 數(shù)字域的音頻信號(hào)處理是任何音頻系統(tǒng)的重要組成部分。 這種處理方式通常包括測(cè)量、過(guò)濾和 / 或壓縮音頻模擬信號(hào)。 嵌入式單片機(jī)具有集成 DSP 功能, 可以產(chǎn)生諸如添加數(shù)字混頻器和支持遠(yuǎn)程控制功能等效果。 通過(guò)在每個(gè)頻道上使用5個(gè)頻段的 EQ, 音頻播放可以與大多數(shù)的定序器應(yīng)用整合在一起, 形成一個(gè)強(qiáng)大的工作室系統(tǒng)。 實(shí)時(shí)音頻流像 Spotify 和 Pandora 這樣的音樂(lè)流媒體服務(wù)，允許用戶(hù)選擇想要播放的歌曲。 理想的應(yīng)用是這些服務(wù)可以在用戶(hù)的家中播放音頻, 并支持一些智能語(yǔ)音命令, 例如選擇哪些歌曲添加到播放列表中。 他們還可以通過(guò)智能家庭音頻系統(tǒng)將實(shí)時(shí)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)傳輸?shù)郊彝サ牟煌块g。 在許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中, 音頻是一種重要的功能, 需要高質(zhì)量的音頻來(lái)支持許多高級(jí)功能, 如流質(zhì)量音頻、語(yǔ)音識(shí)別 / 命令和無(wú)線鏈路(藍(lán)牙和 Wi-Fi)上的音頻傳輸。 有了合適的單片機(jī)和集成技術(shù), 就可以設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的, 無(wú)噪音的, 成本效益高的物聯(lián)網(wǎng)音頻系統(tǒng)。 （譯自http://www./articles/designing-high-quality-acoustic-audio-for-iot-applications）References:
|
|
|
來(lái)自： DuerOS布道師 > 《待分類(lèi)》
