北京2019年4月1日 /美通社/ -- 近日，德州儀器個人電子產(chǎn)品應(yīng)用系統(tǒng)工程師 Wenchau Albert Lo 和個人電子產(chǎn)品應(yīng)用終端設(shè)備經(jīng)理Mike Gilbert就智能音箱設(shè)計中的重要考量要素，對設(shè)計中的利弊進行了深入分析。以下是全文內(nèi)容：
毋庸置疑，語音控制揚聲器（常稱為智能音箱）是一種熱門的消費類產(chǎn)品。
根據(jù)市場調(diào)研公司eMarketer 的數(shù)據(jù)顯示，2017年，3,560萬美國消費者每個月至少使用一次聲控設(shè)備，并且該數(shù)字以近50%的復(fù)合年均增長率增長。
未來的市場預(yù)測也比較樂觀。Juniper Research 預(yù)測，到2022年，大多數(shù)美國家庭中都將安裝Amazon Echo、Google Home、Apple HomePod 和Sonos One 等智能設(shè)備。他們還預(yù)測，將會有7,000萬家庭在家中安裝至少其中一種智能音箱，設(shè)備安裝總量將超過1.75億臺。對于一個在2014年11月之前還不存在的產(chǎn)品類別來說，這尤其令人印象深刻。
但相比于與互聯(lián)網(wǎng)接口結(jié)合使用的麥克風(fēng)和揚聲器，這些外形看似簡單的設(shè)備往往更復(fù)雜。智能音箱包含許多電子功能，這些功能均通過采用數(shù)十種復(fù)雜的集成電路(IC)來實現(xiàn)。原始設(shè)備制造商(OEM) 憑借差異化產(chǎn)品進入智能揚聲器市場，他們必須決定要提供哪些設(shè)備、如何進行提供以及此類小型低功耗設(shè)備中可采用的折衷方案。
智能音箱的實際作用有哪些？如何在家庭中使用智能音箱？簡而言之，智能音箱首先通過捕獲終端用戶的語音指令并將其數(shù)字化，再將結(jié)果傳輸給基于網(wǎng)絡(luò)連接的云服務(wù)進行解讀，然后通過操作指令或響應(yīng)結(jié)果對終端用戶做出響應(yīng)。智能音箱也可以從具備網(wǎng)絡(luò)或 Bluetooth® 連接設(shè)備搜索并播放音頻內(nèi)容。現(xiàn)在許多智能音箱都可以與家中的其他設(shè)備交互，如燈、門鎖和溫度控制系統(tǒng)等。
OEM 廠商不單單只是希望他們的產(chǎn)品在這一過程中能夠脫穎而出；更多的是，它們希望以此獲取房間，甚至是整個住宅的信息訪問和傳輸?shù)目刂茩?quán)，從而成為唯一的數(shù)字化媒體和家庭自動化集線器。
讓智能音箱成為現(xiàn)實
智能音箱需要大量電路才能實現(xiàn)其正常并良好地運行。要實現(xiàn)這一目標，我們便需要一系列復(fù)雜的模擬、數(shù)字、混合信號和電源管理子系統(tǒng)、接口等，并讓其實現(xiàn)互連。
除此之外，我們還有許多設(shè)計問題需要解決，如麥克風(fēng)、音頻輸出和揚聲器、電源管理、用戶界面以及無線連接應(yīng)采用何種數(shù)量和類型。對于 OEM 廠商來說， 首要問題便是是否使用“黑盒”芯片組，其中包括用于音頻解碼和信號處理的片上系統(tǒng)(SoC)、集成 Wi-Fi® 和藍牙無線電的微控制器(MCU)。有的時候，這還包括自定義電源管理IC (PMIC)。然而，這種“罐裝”式解決方案不能為產(chǎn)品差異化提供太多設(shè)計空間。現(xiàn)在就讓我們一起來看看智能音箱系統(tǒng)中的設(shè)計領(lǐng)域和挑戰(zhàn)。
麥克風(fēng)
選擇麥克風(fēng)技術(shù)時，每種技術(shù)的利與弊可能并不明顯。對此，我們可以選擇以下任意一種方案：
數(shù)字麥克風(fēng)的價格比模擬麥克風(fēng)更昂貴，但模擬麥克風(fēng)的 SoC 前端也將需要額外配有的 ADC。鑒于傳感器尺寸需適應(yīng)麥克風(fēng)封裝內(nèi)的 ADC 以及集成 ADC 本身的性能限制，與帶有單獨 ADC 的模擬麥克風(fēng)比較起來，數(shù)字麥克風(fēng)還具有較低的信噪比(SNR) 和較小的動態(tài)范圍。常見的數(shù)字麥克風(fēng)的 SNR 約為65dB，動態(tài)范圍約為104db。當 ADC 集成后，我們就無法通過濾波和過采樣進一步提高 SNR 或動態(tài)范圍。
另一方面，模擬麥克風(fēng)與外部 ADC 相結(jié)合，其 SNR 或動態(tài)范圍（兩者在 ADC 中的意義等同）可高達120dB。這種外部 ADC 通常是 24 位多通道高精度音頻ADC，采用具有高過采樣功能的三階或四階 Δ-Σ 調(diào)制器。它們還集成了復(fù)雜的可編程數(shù)字抽取濾波器；具有可配置的自動增益控制功能的 PGA 以及用于額外噪聲過濾和均衡的微型DSP。如果在典型的擁擠房間內(nèi)或正在播放音樂的房間內(nèi)，周圍環(huán)境中的聲音級別很容易達到 60dB，除非終端用戶靠近麥克風(fēng)或者使用更多的麥克風(fēng)來使其指令遠高于環(huán)境音，否則，數(shù)字麥克風(fēng)的較低動態(tài)范圍就可能導(dǎo)致無法正確識別語音指令，動態(tài)范圍從 104dB 提升至 120dB， 將會帶來驚人的效果，這需要我們認真考慮。如果我們將動態(tài)范圍提高6dB ，那就可以讓語音識別范圍擴大一倍。在某些時候，過多地擴大動態(tài)范圍是不切實際或是無用的，但您也可以憑此獲取更多的設(shè)計空間。額外增加 14dB 的動態(tài)范圍后，您可以通過減少所需的麥克風(fēng)數(shù)量來節(jié)約成本。增加字麥克風(fēng)后，除了會增加成本外，系統(tǒng)還會按照 SoC 自身可用的PDM 輸入數(shù)量將每對麥克風(fēng)的三條信號跡線（數(shù)據(jù)和時鐘）路由到 SoC，進而增加了布局復(fù)雜性，因此這是不可行的。事實是，每條信號跡線都會接受和/或輻射噪聲，這會讓電磁干擾成為更大的問題。最后，運行至每個數(shù)字麥克風(fēng)的時鐘線路會造成路由和抖動方面的難題。目前模擬麥克風(fēng)具有不同的輸出，支持對信號布線的共模抑制。ADC 還為每個麥克風(fēng)提供偏置電源，可為陣列降低電源樹的復(fù)雜性。
使用配有精密ADC 的模擬麥克風(fēng)可以擴大麥克風(fēng)范圍并提高敏感度，不僅可以降低成本和復(fù)雜性，還可以顯著減少在各種噪聲環(huán)境下指令識別錯誤。隨著第二代智能音箱的推出，這一錯誤率將逐漸成為一項重要的市場優(yōu)勢。
在采用多麥克風(fēng)設(shè)計和語音識別時，我們也無需重新設(shè)計。基于PCM1864 的TI 圓形麥克風(fēng)板(CMB) 參考設(shè)計使用兩個4 通道音頻ADC 與一組模擬麥克風(fēng)（最多含八個）連接，并且可以在嘈雜的環(huán)境中提取清晰的用戶語音指令。
揚聲器放大器和電源
對于揚聲器放大器，您需要在輸出功率（通常介于5W 和 25W 之間）、功耗、熱性能、尺寸、揚聲器保護以及聲音保真之間進行權(quán)衡。
帶有一個中程高頻揚聲器和低音揚聲器的簡易揚聲器系統(tǒng)可以產(chǎn)生出色的音質(zhì)，同時，如果結(jié)合使用最新的音頻處理技術(shù)，多個揚聲器可提供 360 度音頻體驗。
您也可以選擇執(zhí)行一次性室內(nèi)校準以調(diào)整并以最佳方式匹配揚聲器的頻譜特性，或者采用更復(fù)雜的自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法補償聲區(qū)內(nèi)的音效。TI PurePath? 控制臺圖形開發(fā)套件可以提供簡單的一次性調(diào)優(yōu)并達到出色的效果。
在功耗和熱性能方面，降低持續(xù)功耗的一種方法是將放大器脈寬調(diào)制方案與自適應(yīng)電源相結(jié)合來降低揚聲器的電源要求。這種技術(shù)對 D 類輸出使用可變（非固定）開關(guān)頻率，同時基于音頻內(nèi)容更改頻率。也就是說，內(nèi)容越多，開關(guān)頻率就越高；內(nèi)容越少，開關(guān)頻率就越低。
為了提高效率，您也可以根據(jù)內(nèi)容動態(tài)調(diào)整放大器的輸出電源電壓。這種技術(shù)稱為包絡(luò)跟蹤。它僅在音樂 需要提高功率時跟蹤音頻內(nèi)容并提高電壓（輸出功率），特別是在重低音部分（信號內(nèi)容中有許多峰值）。
數(shù)字輸入、D 類、IV 感應(yīng)音頻放大器的立體聲評估模塊參考設(shè)計不僅接受多種格式的數(shù)字輸入并提供高質(zhì)量音頻，其 D 類拓撲還包括其他功能，可以最大程度地降低多個輸出級別的功耗，而不會降低保真度和性能。
電源管理
與大部分電子系統(tǒng)一樣，電源管理在系統(tǒng)設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。我們的最終目標是有效地提供電源以減少熱耗散，從而實現(xiàn)外形更小、成本更低的系統(tǒng)，并延長便攜式系統(tǒng)的電池運行時間。SoC 和Wi-Fi 芯片組有時與專用PMIC 綁定在一起，但您仍可能會更傾向于通過使用單獨的直流/直流轉(zhuǎn)換器、低壓降穩(wěn)壓器和電壓監(jiān)控器來修改功能（如定序）、更改電路板布局并降低噪聲和/或成本，來增加電路板布局空間并提高分立式實現(xiàn)的供應(yīng)商靈活性。
除了固定的集成解決方案提供的功能（例如以較低的靜態(tài)電流運行或使用較高的開關(guān)頻率（如 1.4MHz 至4MHz）以外，您可能還希望優(yōu)化設(shè)計來降低占用空間，以滿足對更小電感器的需求。或者您也可以使用脈沖跳躍或ECO 模式以在輕負荷下節(jié)省電力，同時，請不要將音頻頻帶切換到20kHz 以下（這可能會導(dǎo)致可聞噪聲）。此外，您還可能需要系統(tǒng)輸入電壓具備靈活性。這些放大器需要12V 至 24V 電源，該電源可通過內(nèi)部電源或外部電源適配器提供。
內(nèi)部交流/直流電源可以提供主電源，但輸出電壓為12 V 或 5V 的外部交流/直流壁式適配器更為常用，具體取決于所需的揚聲器電源。可以通過適用于低功率揚聲器的微型USB 接口或適用于高功率揚聲器的新型的流線型USB Type-C? 來提供主電源，取代笨重的傳統(tǒng)壁式交流/直流適配器和桶形插座。由于這些適配器的功率級別不同，使用 USB Type-C 需要從揚聲器到適配器的某種級別的握手，或者采用輸入USB 電流限位開關(guān)或具有集成式過流和過壓保護的電池充電器。
對于便攜式音箱，一種稱為電源路徑管理的技術(shù)支持使用外部交流/直流壁式適配器為電池充電，同時通過一個集成式調(diào)節(jié)器為揚聲器“實時”充電。如果您需要更高的揚聲器放大器電源軌（如 12V 或 18V），一種選擇是使用兩節(jié) 8V 電池，然后根據(jù)揚聲器放大器的需要提高電壓。電池充電器需要將輸入電壓提升到更高的電池電壓（如果適配器輸出電壓為 5V），并且您需要對揚聲器放大器電源軌使用額外的升壓轉(zhuǎn)換器， 以在峰值功率的條件下實現(xiàn)更高的電壓。此外，便攜式智能音箱系統(tǒng)必須具有低待機功耗等級和有效的降壓轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)在電池是唯一的電源時，可在充電周期之間提供更長的運行時間。
由于音箱是主要電源消耗設(shè)備，因此與其放大器需求緊密相關(guān)的電源可實現(xiàn)具有成本效益的低功耗設(shè)計。適用于音頻功率放大器的包絡(luò)跟蹤電源參考設(shè)計就是此類解決方案的一個很好的示例：它以 5.4V 至 8.4V 的輸入電壓軌運行，并向 8Ω 負載提供 2 × 20W 功率（使用 7.2V 電源軌）。此外，它可以按照音頻信號的峰間包絡(luò)更改輸出電壓，從而在輸出電壓范圍內(nèi)保持高效率。因此，它根據(jù)音頻內(nèi)容動態(tài)調(diào)整功率放大器的電源，從而優(yōu)化其功耗。
用戶界面
您必須根據(jù)所需的終端用戶體驗決定提供哪種類型的用戶界面，因為人機界面是智能音箱市場差異化的一個主要因素。這種界面可能包括成本較低的簡單按鈕和單指示器LED、旋轉(zhuǎn) LED 陣列、小型 LCD 顯示屏以及具有觸控輸入和觸覺反饋功能的LCD 顯示屏。
LED 基本用于指示狀態(tài)，最近也用于通過以各種圖案生成動態(tài)顏色來提高終端用戶體驗。較簡單的系統(tǒng)可能使用單色LED，但大部分系統(tǒng)使用紅、綠、藍 (RGB) LED。如果您選擇多色 LED，則需要確定使用多少個 RGB LED，以及系統(tǒng)處理器、MCU 或裝有集成式LED引擎的新型多LED 驅(qū)動器是否會控制它們。每種選擇均需權(quán)衡成本、電源和系統(tǒng)方面的考量。使用集成式LED 圖形引擎可以在處理器管理圖形生成時減輕其負擔，并在處理器或 MCU 進入低功耗待機模式時驅(qū)動RGB LED 陣列。
各種LED 環(huán)形燈照明圖案參考設(shè)計說明了如何使用裝有集成式LED 引擎的新型多通道RGB LED 驅(qū)動器設(shè)計多色RGB LED 環(huán)形燈圖形子系統(tǒng)。使用環(huán)境光傳感器 IC 可自動控制LED 亮度。
相應(yīng)面板按鈕的價格可能很低，但它們更容易出現(xiàn)機械故障且只具備單一功能。這種按鈕需要終端用戶“ 按住”才能執(zhí)行操作（向上、向下、滾動），在智能手機領(lǐng)域，這種操作已經(jīng)過時且與有悖于常規(guī)使用習(xí)慣 的。相比之下，電容式觸控的敏感表面可支持更多交互并可以增強用戶界面功能。這種觸控方式的表面無需物理外力即可檢測到終端用戶的接近，并支持背光在黑暗環(huán)境中更易于使用。與簡單的按壓不同的是，觸控敏感表面可通過支持“輕滑”或“旋轉(zhuǎn)”，讓用戶更易于接觸到熟悉的界面，從而能夠讓智能音箱脫穎而出。設(shè)計合理的電容式觸控控制器可在各種表面，如塑料、玻璃或金屬材質(zhì)上運行，并且可以與音箱外殼表面齊平。
基于手勢的電容式觸控揚聲器界面參考設(shè)計提供了一種易于使用的評估系統(tǒng)，用于使用 TI 電容式觸控MCU 的智能揚聲器的多手勢電容式觸控界面。此設(shè)計支持點擊、輕滑、滑動和旋轉(zhuǎn)手勢。
無線連接
最后，還有一個基本的開箱使用問題。如果未連接到互聯(lián)網(wǎng)，智能揚聲器將無法正常工作。考慮到速度要求和功率限制，我們將為您提供有關(guān)最佳連接方式的設(shè)計決策。
最常見的智能音箱可通過Wi-Fi 直接連接到互聯(lián)網(wǎng)。在這里，IEEE 802.11n 的寬帶綽綽有余，它還支持多室無線揚聲器網(wǎng)狀連接。不過，Wi-Fi 功率放大器會消耗大量功率，可能會限制電池供電的智能音箱的運行時間。因此，支持 Wi-Fi 連接的音箱通常直接插入到壁裝電源插座或裝有支持持續(xù)運行的交流適配器。
為了能夠盡可能多的覆蓋到房間或提升立體聲音質(zhì)， 用戶往往會希望使用多個智能揚聲器裝置，這就需要IEEE 802.11n/s 的寬帶支持來實現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，任何一個揚聲器均可以在其他揚聲器用作從屬方時成為主控方（連接到云）。如果作為主控方運行的揚聲器斷電或斷網(wǎng)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)將自動分配其他揚聲器作為主控方。而在多揚聲器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，最大問題是同步。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的Wi-Fi 控制器必須具有可靠的同步方案，以避免為用戶帶來麻煩。
電池供電的便攜式音箱可能會將Wi-Fi 云連接轉(zhuǎn)移到附近的移動設(shè)備上。如果要連接到移動設(shè)備以實現(xiàn)間接云連接和/或收聽移動設(shè)備上存儲的內(nèi)容，則需要使用傳統(tǒng)藍牙（或藍牙基本速率）來實現(xiàn)持續(xù)連接， 以對音頻內(nèi)容進行流處理，這是由低功耗藍牙的寬帶限制和電源方案所致。當與傳統(tǒng)藍牙配合使用時，低功耗藍牙可以控制設(shè)備之間的通信。
家庭自動化是目前作為單獨實體存在于許多家庭中的另一個功能。作為一種獨立集線器，它可以通過Wi-Fi 連接到互聯(lián)網(wǎng)，也可以通過對家庭自動化（根據(jù) Zigbee®、Thread、Z-wave 等標準實施）設(shè)置無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與專用燈具和恒溫器實現(xiàn)鏈接。只要具備這一附加獨立集線器，智能音箱就可以合理地宣布通過互聯(lián)網(wǎng)提供家庭自動化。
但是，為了讓終端用戶無需購買這種額外的無線集線器，智能音箱可以簡單地添加帶有集成式射頻功率放大器的多頻帶無線 MCU，從而成為家庭自動化集線器。無線 MCU 處理協(xié)議棧操作并控制無線電，避免加重現(xiàn)有 SoC 或 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)處理器的負擔，同時支持通過常用的遠距離家庭自動化協(xié)議（包括2.4GHz 和低于1GHz 的頻帶）進行通信。因為 Wi-Fi 和藍牙也使用2.4GHz 頻帶，所以您需要通過集成式無線 MCU 中內(nèi)置的硬件和軟件的組合來確保兩者共存。
展望未來
未來的智能音箱將不只是僅供音頻使用的獨立設(shè)備。由于平板電視更加輕薄，意味著需要更小的揚聲器，這將會對電視聲音產(chǎn)生負面影響。因此，可增強平板電視音效的條形音箱將日漸普及。添加語音識別功能很顯然是條形音箱發(fā)展的下一步。
要實現(xiàn)這一愿景，智能條形音箱將需要包含一個用于無線視頻流的機頂盒，同時僅有一條 HDMI 電纜連接到電視，電視則被作為巨大的顯示器來使用。由于平板電視更加輕薄，電視控制線路和電源也可以在智能條形音箱中實現(xiàn)。然后，智能音箱和智能條形音箱將爭相成為整個家庭娛樂系統(tǒng)的集線器。添加家庭自動化連接后，這些設(shè)備也將爭相成為智能家居的自動化集線器。
另一個新增功能是智能音箱顯示屏。向智能揚聲器添加顯示屏是對其功能的自然擴展。正如汽車中不斷增加中控臺顯示屏，消費者也要求家庭信息化/娛樂設(shè)備提供額外的視覺體驗。我們還可以看到的是，內(nèi)容的請求和顯示方式將不同于手持智能手機或平板電腦體驗。由于語音指令是請求內(nèi)容和控制的主要模式，因此我們將需要使用簡化的搜索和控制應(yīng)用來幫助快速獲取準確的結(jié)果。此外，我們還可以簡化顯示的圖像，降低對觸摸交互的需求，同時還提供適合遠距離觀看的超大圖像。
這將提供清晰的視覺內(nèi)容，使得消費者在與智能音箱交互時可獲取更愉快的體驗。
憑借這種新增的顯示功能，智能音箱便可以在客廳中讓位于智能條形音箱，從而專注于客廳以外的區(qū)域。智能音箱可提供小型個人顯示屏，從集成式 LCD 屏幕到大型超短距高清投影（使用 TI DLP® 技術(shù)在任意表面上創(chuàng)建大型顯示屏）。在高流量區(qū)域，如廚房或起居室附近的智能設(shè)備則需要更加美觀且不受干擾。增加一個平板電腦大小或更大的平板顯示器并不總是符合這些標準。在用戶通過智能音箱獲取信息，如天氣、烹飪、交通等以及對匿名聲音做出表情時，投影顯示技術(shù)可以提供更具互動性的體驗。由此，智能音箱在家庭中的作用和重要性便將不斷變化和發(fā)展，從而為設(shè)計師帶來了新趨勢和讓其設(shè)計與眾不同機會。
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