IoT中的高音質音頻設計

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音頻是許多物聯網應用不可或缺的組成部分, 包括消費品（如揚聲器、耳機、可穿戴裝置），醫療裝置（如助聽器），自動化工業控制應用、娛樂系統和汽車的資訊娛樂裝置等。

物聯網的聲音可大緻分為三類: 流媒體(即音樂、聲音和資料)、語音識别 / 指令, 以及藍牙和 Wi-Fi 無線連接配接播放(例如, 将多通道音頻通過 Wi-Fi 傳輸到家庭環繞立體聲系統)。 然而, 設計一個高品質、不間斷的音頻子系統可能是一個挑戰, 因為工程師必須遵守基于物聯網裝置所要求的嚴格限制。

更複雜的設計需要包括先進的功能, 例如語音識别，  使驅動控制汽車的資訊娛樂系統就像手機一樣輕松易用。 由于 MCU是所有這些音頻系統的核心, 選擇一個內建設計可能是一個可靠無噪音音頻系統所需的。 本文探讨了設計此類系統所需的音頻技術。

音頻子系統的元件

如前所述，物聯網的音頻包括三個主要的活動: 高品質的語音 / 資料流, 無線傳輸和語音控制。 圖1顯示了嵌入式系統中的重要構件。

圖1 音頻處理子系統

需要注意的是, 許多這些功能可以內建在一個現代化的單片機中, 如本例所用的 Cypress CYW43907與內建的 Wi-Fi 802.11 n。 一些基于物聯網系統的重要音頻技術可能包括:

音頻應用

一個帶有音頻功能的單片機，允許工程師對大多數流行媒體播放器和内容提供商使用 mp3 / 4流。 許多設計也需要支援 WMA 和蘋果的 AAC 解碼, 這需要更多的處理能力。 通常可以在消費者音頻應用程式中使用低成本的音頻單片機, 或者管理音頻配件中的數字音樂流, 如數字揚聲器集。

在這些應用程式中, 一幀 PCM 音頻資料(封裝在 USB 音頻類格式中)通過處理器的 SPI/ I2C 串行通道可達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, 但是, 一些低成本的編碼器隻能接受一個特定的格式。 在這些情況下, MCU 在確定資料在輸入到編解碼器之前的正确對齊方面發揮了重要作用。

由于并非所有音頻來源都使用相同的采樣率, 是以編解碼器還必須将其采樣頻率進行調整, 或依靠單片機将取樣資料流轉換成一個通用采樣率(見圖2)。 在這些情況下, MCU 必須管理資料流, 以避免在其他情況下導緻靜默、持久性污染和音頻中斷, 這種情況會随着資料丢失而産生, 并擾亂使用者的聽力體驗。 需要注意的是, 音頻單片機也可以用來實作音頻子系統的其他功能, 例如在音頻播放過程中控制照明。

圖2 音頻單片機可能執行格式轉換、采樣率調整和資料流管理, 以及支援音頻使用者界面

為了在廣泛的應用中使用音頻, 音頻 MCU 需要支援各種音頻技術。 圖3顯示了這些音頻技術的例子。

圖3 音頻技術

音頻編碼器(編碼器 / 解碼器)

音頻編解碼器是音頻系統的主要前端元件。 許多在物聯網應用程式架構的 MCU支援硬體中的編解碼功能。 這使得系統可以減少數字音頻樣本的大小, 以加速無線傳輸(節省電力)和減少存儲空間(減少記憶體容量的壓力)。 一個編碼器可以支援各種音頻格式, 如 AAC, AC-3和 ALAC等。 要做到這一點, 它需要一個解碼接入單元(AU) , 這個單元在任何音頻後處理(如 DSOLA, SOLA)之前實作。 當使用像 AAC, AC-3和 ALAC 這樣的标準音頻格式時, 音頻的分類方式使得後續音頻樣本在音頻包資料流中指定的格式範圍内。 分組間隔也需要被管理, 以允許最小的交叉抖動和不間斷操作。 AU 的有效負載大小允許任何需要執行。

基帶處理

基帶信号是模拟或數字波形中的一組基本頻率, 可以通過電子電路進行處理。 基帶信号可以由單個頻率或一組頻率組成, 如果在數字域中, 資料流通過一個非多路通道發送。 基帶被定義為帶有載波信号的基帶混合, 以産生調制信号。 需要注意的使, 在支援物聯網音頻的MCU 中,  音頻編解碼器與基帶處理以及RF 可以內建在一個晶片上。 音頻編解碼器可以在各種無線收發器中實作, 以提供語音資料和/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。

包丢失隐藏和資料複制

過度的延遲、資料包丢失和高延遲抖動都會影響通信品質。 突發資料包丢失的可能性随着網絡負載的增加而增加, 并導緻了使用者可以聽到的中斷。 通過進階功能, 如丢包隐藏技術, 可以增強通過 Wi-Fi音頻傳輸。 系統體系結構的源 / 接收器如下: 一個源捕獲音頻, 通過 RTP 流結構将 PCM 資料消除, 并使時鐘與 PLC 連接配接的所有源同步。

需要注意的, 無線通信連結的性能取決于連結預算性能的品質。 這種連接配接預算由三個因素決定: 傳輸功率、發射天線增益和接收天線增益。 例如, 如果連接配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号水準, 那麼就可以在802.11網絡上進行可靠的通信(見圖4)。

圖4 無線通信的連結預算性能

語音清晰度提升(SIE)

音頻系統中的背景噪聲降低了語音的可了解性。 如果噪音超出一定水準, 那麼使用者将很難了解這樣的語音。 對于嵌入式裝置而言，實時連續語音識别的可用性要求系統能夠提高信噪比。 選擇一個支援移植和優化的大詞彙量持續語音識别系統的單片機可以簡化開發過程。

喚醒詞檢測(WUPD)

通過這個功能，使用者可以通過語音激活裝置, 以一種不用手的方式打開系統(見圖5)。 

圖5 喚醒式短語檢測

對一個或多個揚聲器進行有效的多點傳播

多點傳播是一種網絡處理方法, 用于使用最有效的政策同時向一組目的位址傳遞資訊。 消息隻在網絡的每個鍊路上傳送一次, 隻有當下一個連結分裂到多個目的位址(通常是在網絡交換機和路由器上)時才會建立副本。 然而, 與UDP一樣, 多點傳播不能保證消息流傳輸導緻的消息丢失。 可靠的多點傳播(RMC)提供多點傳播資料包的确認(僅提供資料包) , 以便可靠地傳遞某些特定的多點傳播資料包。 發射機選擇 RSSI 最弱的接收機來确認幀。在物聯網環境中, 實作 RMC 意味着 Wi-Fi 發射機選擇其中一個 Wi-Fi 接收器來确認幀接收，實作使用一個包含 RMC 專有資訊元素的動作架構來通知和啟用承認者。 該實作還包含 特定RMC 的 Wi-Fi 驅動指令, 用于設定多點傳播 MAC 位址, 并啟用和禁用 RMC。

在傳輸延遲是固定和對稱的情況下, 可以滿足對音頻和視訊的時間同步要求。 例如, RMC 可以依靠高度準确的時間和同步來順利傳輸語音、視訊和移動資料。 從技術的角度來看, 實作高度精确和精确的時間并不是一項簡單的技術, 是以, 找到一個可以驗證的實作是非常重要的。

幀格式、前向糾錯和分組包複制

對于音頻流, 時鐘必須與所有的 Wi-Fi 接收器同步。 一種方法是對源和接收器裝置用一個通用的時鐘，通常被稱為壁鐘或系統時鐘(STC)。 首先, 每個接收器同步其 STC 與源 / 發送器的 STC同步。 每個接收器現在可以恢複發射器的時鐘, 因為時間戳(可在每個 RTP 資料包的擴充頭中獲得)反映了媒體相對于普通時鐘的采樣速度。

STC 是基于802.1  規範中所概述的時鐘值。 由于 STC 和源裝置的媒體時鐘之間的相關性(因為它與 RTP 或媒體時間戳相關)已為所有接收器裝置所知, 是以每個接收器都可以重建源裝置的 RTP 媒體時鐘副本, 并對其輸出進行适當的排隊。 一個透明的時鐘是一個硬體，可以用作時間戳接收和傳輸資料包, 盡可能地接近實體接口。 雖然這個時鐘值不是用來回放的, 但它可以用來通過系統來測量抖動, 并進行一次徹底的性能分析。

智能家居音響系統示例

為了了解物聯網的語境, 考慮一個智能家庭的例子和音頻在提高智能家居系統整體能力方面可以發揮的作用。 一個智能家庭, 家裡的裝置和家用電器可以互相交流，并與居住在那裡的人們互動。 通過增加它們之間的互相聯系, 智能家庭不僅提高了我們的生活品質, 還提高了我們的安全感。 圖6顯示了一個智能家居的例子。

圖6 | 在智能家居中, 裝置和電器可以互相聯系, 也可以與居住在那裡的人進行交流

智能家居的主要音頻用例之一是通過 Wi-Fi 或藍牙存儲和共享音頻。 根據應用的不同, Wi-Fi 的選擇各不相同, 取決于範圍和音頻品質的要求。 例如, 如果有人在門口按門鈴, 而不是隻在家裡的一個地方響鈴, 主要制器可以在每個房間播放特定的聲音。 同樣, 控制器可以将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音頻, 通過管理各種輸出控制功能使系統更加智能。

圖7  智能家居中的無線音頻揚聲器

圖7顯示了一個智能家居中可能存在的無線音頻揚聲器系統。 這個音頻系統可以通過幾種不同的方式提高音頻體驗的品質:

重播音頻系統

再廣播音頻系統已成為音頻市場的一個重要應用。 無線音頻轉播系統是智能家居的核心, 它彙集了家中不同的智能裝置, 并代表使用者做出明智的決定。 例如, 音頻系統可以根據目前播放的音樂來控制房間的照明模式。 它也可以使用文本對語音識别來大聲讀取使用者通知或電子郵件。 通過網絡音頻裝置，使用者也可以選擇在多房間音頻系統内建立區域。 這種方法創造了一個完整的生态系統, 以確定一個家總是以最大的效率運作, 同時盡量減少與居住者的互動。 要建立這樣一個生态系統, 物聯網設計者需要選擇一個嵌入式微控制器, 其性能水準和音頻功能将成為物聯網應用的優化條件。

數字信号處理效果

在無線鍊路傳輸音頻資料之前, 數字域的音頻信号處理是任何音頻系統的重要組成部分。 這種處理方式通常包括測量、過濾和 / 或壓縮音頻模拟信号。 嵌入式單片機具有內建 DSP 功能, 可以産生諸如添加數字混頻器和支援遠端控制功能等效果。 通過在每個頻道上使用5個頻段的 EQ, 音頻播放可以與大多數的定序器應用整合在一起, 形成一個強大的工作室系統。

實時音頻流

像 Spotify 和 Pandora 這樣的音樂流媒體服務，允許使用者選擇想要播放的歌曲。 理想的應用是這些服務可以在使用者的家中播放音頻, 并支援一些智能語音指令, 例如選擇哪些歌曲添加到播放清單中。 他們還可以通過智能家庭音頻系統将實時的網際網路服務傳輸到家庭的不同房間。

在許多物聯網系統中, 音頻是一種重要的功能, 需要高品質的音頻來支援許多進階功能, 如流品質音頻、語音識别 / 指令和無線鍊路(藍牙和 Wi-Fi)上的音頻傳輸。 有了合适的單片機和內建技術, 就可以設計一個可靠的, 無噪音的, 成本效益高的物聯網音頻系統。

（譯自http://www.embedded-computing.com/articles/designing-high-quality-acoustic-audio-for-iot-applications）

References:

• http://www.cypress.com/file/298236/ ： WICED IEEE 802.11 a/b/g/n SoC with an Embedded Applications Processor - WICED IEEE 802.11 a / b / g / n SoC
• http://www.cypress.com/products/wiced-software：WICED Software Wiced 
• https://hr.mouser.com/new/Cypress-Semiconductor/cypress-wiced-cyw43907-kit/ ： WICED CYW43907 Evaluation Kit 
• http://www.cypress.com/psoc6： PSoC 6: PURPOSE-BUILT FOR THE IoT