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（如助聽器），自動(dòng)化工業(yè)控制應(yīng)用、娛樂系統(tǒng)和汽車的信息娛樂設(shè)備等。

物聯(lián)網(wǎng)的聲音可大致分為三類: 流媒體(即音樂、聲音和數(shù)據(jù))、語音識(shí)別 / 命令, 以及藍(lán)牙和 Wi-Fi 無線連接播放(例如, 將多通道音頻通過 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)?a target="_blank">工程師必須遵守基于物聯(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, 例如語音識(shí)別， 使驅(qū)動(dòng)控制汽車的信息娛樂系統(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)可靠無噪音音頻系統(tǒng)所需的。 本文探討了設(shè)計(jì)此類系統(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)量的語音 / 數(shù)據(jù)流, 無線傳輸和語音控制。 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 和蘋果的 AAC 解碼, 這需要更多的處理能力。 通?？梢栽谙M(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 音頻類格式中)通過處理器的 SPI/ I2C 串行通道可達(dá)1 ms。 視來源而定, 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, 并擾亂用戶的聽力體驗(yàn)。 需要注意的是, 音頻單片機(jī)也可以用來實(shí)現(xiàn)音頻子系統(tǒng)的其他功能, 例如在音頻播放過程中控制照明。

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線收發(fā)器中實(shí)現(xiàn), 以提供語音數(shù)據(jù)和/或音樂功能。 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)致了用戶可以聽到的中斷。 通過高級(jí)功能, 如丟包隱藏技術(shù), 可以增強(qiáng)通過 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 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(見圖4)。

圖4 無線通信的鏈接預(yù)算性能

語音清晰度提升(SIE)

音頻系統(tǒng)中的背景噪聲降低了語音的可理解性。 如果噪音超出一定水平, 那么用戶將很難理解這樣的語音。 對(duì)于嵌入式設(shè)備而言，實(shí)時(shí)連續(xù)語音識(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)語音識(shí)別系統(tǒng)的單片機(jī)可以簡化開發(fā)過程。

喚醒詞檢測(cè)(WUPD)

通過這個(gè)功能，用戶可以通過語音激活設(shè)備, 以一種不用手的方式打開系統(tǒng)(見圖5)。

圖5 喚醒式短語檢測(cè)