入門智能家居音頻設(shè)計(jì)?TI 來(lái)支招!
發(fā)布時(shí)間:2019-11-12 來(lái)源:Zachary & Avi 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】近年來(lái),智能家居技術(shù)一直在迅速發(fā)展。越來(lái)越多的家庭采用 Amazon Echo 和 Google Home 等智能音箱。一度只生產(chǎn)簡(jiǎn)單家用設(shè)備的公司,現(xiàn)正面臨著高保真音頻輸出的需求。這種音頻輸出遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于普通的嗶嗶聲或是通知衣服已經(jīng)清洗完畢的音樂(lè)聲;此音頻技術(shù)能使電冰箱大聲報(bào)讀食品清單,或讓照明開關(guān)提醒人們?cè)陔x開房間之前關(guān)燈。
增添先進(jìn)的音頻功能是令人怯步的艱巨工作,會(huì)使本已緊張的工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的時(shí)間表變得復(fù)雜紛亂。在本篇博文中,我將探討與智能家居音頻設(shè)計(jì)相關(guān)的四大挑戰(zhàn)和如何簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程的方法。
難以定義項(xiàng)目要求
您要從事的項(xiàng)目聽(tīng)上去很簡(jiǎn)單:讓這件設(shè)備講話。但伴隨音頻輸出的是許多設(shè)計(jì)選擇和挑戰(zhàn),從一眼看過(guò)去都非常近似的海量選擇中挑選出適合的放大器,不是一件容易的事情。
為了簡(jiǎn)化選擇放大器的過(guò)程,TI 的交互式框圖針對(duì)特定智能家居應(yīng)用提供組件方面的建議。例如,圖 1 顯示的智能音箱框圖,重點(diǎn)介紹了功能能夠滿足多種智能家居設(shè)計(jì)要求的音頻子系統(tǒng)和大量揚(yáng)聲器放大器。同一頁(yè)上的音頻參考設(shè)計(jì)附帶可用作項(xiàng)目模板的原理圖和配套部分,既增加了系統(tǒng)級(jí)知識(shí),又降低了組件選擇的難度。
圖 1:智能音箱框圖
TI 框圖是開始設(shè)計(jì)的很棒的第一步,但是揚(yáng)聲器放大器的選擇最終將取決于您的項(xiàng)目要求。最常見(jiàn)的智能家居產(chǎn)品要求中的兩個(gè),是高效率和簡(jiǎn)潔而重點(diǎn)明晰的設(shè)備概要文件。
音頻輸出和先進(jìn)功能會(huì)降低能源效率
為智能家居設(shè)備添加額外功能會(huì)增加功耗,音頻功能也會(huì)導(dǎo)致這樣的結(jié)果。隨著科技公司不斷努力開發(fā)綠色環(huán)保技術(shù)和政府頒布有關(guān)備用電源的法規(guī),優(yōu)化下一代產(chǎn)品使其功耗不斷下降就變得日益重要了。低效率的音頻系統(tǒng)是浪費(fèi)功率和降低用戶滿意度的主要元兇之一,它增加電費(fèi)開支,還能更快速地消耗電池電能,甚至使設(shè)備發(fā)熱。
音頻放大器不總是起到上述作用,但是在用戶需要反饋或通知時(shí),它們則必須響應(yīng);想一想閑置模式下的安防攝像機(jī)或智能顯示屏,就會(huì)明白其中的道理。另一方面,在開泳池派對(duì)時(shí),藍(lán)牙® 音箱需要高效播放夏日樂(lè)單,這樣它的電池才能維持一整天。
為解決以智能家居為核心的應(yīng)用問(wèn)題,TI 最新的揚(yáng)聲器放大器擁有了先進(jìn)的內(nèi)置功耗管理功能。這一專有的混合調(diào)制方案可將 >12-V 系統(tǒng)中的待機(jī)電流損耗降至最低,同時(shí)采用音頻信號(hào)包絡(luò)跟蹤算法的板載 H 類升壓設(shè)置,能夠?qū)㈦姵毓╇娤到y(tǒng)的電池續(xù)航時(shí)間延長(zhǎng)多達(dá) 40%。圖 2 說(shuō)明了受算法控制的多步升壓,尤其是在播放音頻且增益較低的情況下,是如何顯著節(jié)約固定式 12V 電源軌的功耗的。
圖 2:H 類多步升壓軌為固定式 12V 電源軌顯著節(jié)省功耗
物理?xiàng)l件局限限制了音頻性能
電子設(shè)備已經(jīng)縮水為極簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)。家用設(shè)備小巧的外形從未給音頻功能留有余地,這使得添加額外組件,比如放大器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、升壓轉(zhuǎn)換器和揚(yáng)聲器,而又不增大總體尺寸成為一件困難的事情。
TI 的音頻團(tuán)隊(duì)充分考慮了這些局限,把主要精力放在制作集成更多功能的放大器上,以便減少外部組件并優(yōu)化音頻子系統(tǒng)占用的空間。
智能家居生態(tài)系統(tǒng)的核心是智能音箱,它的高品質(zhì)音樂(lè)和虛擬輔助反饋對(duì)于博取高用戶滿意度至關(guān)重要。增添音頻 DSP 來(lái)產(chǎn)生高品質(zhì)輸出,亦同時(shí)增加了成本和印刷電路板(PCB)體積。TI 提供集成了處理能力的音頻放大器,于是用戶可以調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器輸出最清晰的虛擬輔助響應(yīng)和最豐富的音樂(lè)體驗(yàn)。外部回聲消除算法甚至能夠利用預(yù)處理后的信號(hào),幫助智能音箱更準(zhǔn)確地區(qū)分音頻輸出和用戶語(yǔ)音命令。
D 類揚(yáng)聲器放大器的高開關(guān)頻率,導(dǎo)致電磁干擾(EMI),使音頻信號(hào)失真。這通常需要由多個(gè)大型電感器進(jìn)行抑制。但是諸如擴(kuò)展頻譜和相位優(yōu)化等功能不需要外部電感器就能抑制 EMI,既節(jié)省空間和成本,又能產(chǎn)生超低失真的音頻輸出。
一般來(lái)說(shuō),揚(yáng)聲器輸出功率與其尺寸緊密相關(guān);如果您想要更大的音量,就需要更大的換能器,但在設(shè)計(jì)空間局促的產(chǎn)品時(shí)可能無(wú)法使用換能器??梢曢T鈴需要高聲和清晰地輸出家庭主人說(shuō)的話,即使在嘈雜環(huán)境中也必須做到這一點(diǎn),同時(shí)還要保持小巧纖薄的外形。適合這些設(shè)計(jì)的智能音箱,輸出的功率也較低,因此更易于因過(guò)熱和超溫而損壞。但由于有了 TI 揚(yáng)聲器保護(hù)算法,較小的音箱也能安全輸出較高音量,達(dá)致前所未有的優(yōu)越音質(zhì)。
如圖 3 所示,采用揚(yáng)聲器保護(hù)算法的 TI 智能放大器,使工程師能夠充分利用揚(yáng)聲器功能和輸出更高的平均功率,而又不會(huì)把換能器集成從設(shè)計(jì)中拿掉。在智能家居中,音量的視場(chǎng)合變化意味著訪客坐在車?yán)?,即使旁邊有汽車飛馳而過(guò),也能輕松聽(tīng)到主人的聲音。
圖 3:揚(yáng)聲器保護(hù)算法使音箱能夠輸出比傳統(tǒng)放大器高出兩倍的音量,同時(shí)不會(huì)損壞元器件
小外形裝置散熱不佳,也給不斷縮小的智能家居產(chǎn)品帶來(lái)了問(wèn)題。熱量可以損害內(nèi)部組件,形成不良的用戶體驗(yàn),或者如果未能正確處置會(huì)引起裝置起火。設(shè)計(jì)時(shí)牢記散熱,就表示考慮 PCB 布局和銅線厚度,或部署如溫度折返等功能使揚(yáng)聲器放大器減少散熱,方法是在過(guò)熱情況下,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)音頻信號(hào)的增益。在設(shè)計(jì)安全可靠產(chǎn)品的初始階段,就必須牢記熱量管理。
運(yùn)用先進(jìn)的音頻放大器技術(shù)/功能,要求深厚的專業(yè)技能,并且實(shí)施起來(lái)有難度。
先進(jìn)功能能解決許多問(wèn)題,這在方案研究階段聽(tīng)上去很不錯(cuò),但如果很難實(shí)施就沒(méi)有什么價(jià)值了,尤其對(duì)于首次設(shè)計(jì)音頻的工程師而言更是如此。從零開始構(gòu)建特性或通過(guò)外部組件實(shí)施是困難的,一來(lái)不能有效使用 PCB 空間,二來(lái)需要電力電子和信號(hào)處理方面的專業(yè)知識(shí)。為簡(jiǎn)化下一代產(chǎn)品的設(shè)計(jì),TI 不僅為放大器集成了多種功能,而且還提供免費(fèi)的軟件工具幫助用戶輕松控制它們。
PurePath™ Console 3 軟件套裝通過(guò)連接各設(shè)備的評(píng)估模塊(EVM)簡(jiǎn)化了對(duì)這些設(shè)備的操控,便于工程師在現(xiàn)代化且易于使用的圖形用戶界面中迅速調(diào)整音頻輸出、標(biāo)定設(shè)置和體現(xiàn)揚(yáng)聲器的特征。
逐步調(diào)節(jié)和特征化向?qū)Ъ按罅颗嘤?xùn)資源,拉平了與學(xué)習(xí)新工具相關(guān)的學(xué)習(xí)曲線(即,降低了學(xué)習(xí)難度,減少了學(xué)習(xí)時(shí)間)。該軟件兼容多種 TI 音頻評(píng)估模塊(EVM),支持項(xiàng)目在未來(lái)采用新設(shè)備,軟件套件則不需要變化。
由于功耗管理、揚(yáng)聲器保護(hù)和音頻均衡都集成到了 TI 設(shè)備中,通過(guò) PurePath Console 軟件可以輕松配置它們。它們只需要很少或完全不需要額外的軟件開發(fā)工作,這使得我們運(yùn)用這些設(shè)備和軟件便能夠創(chuàng)造出高功耗管理效率、高保真的音頻子系統(tǒng),在提高用戶滿意度之余,有很大的把握能夠契合總體項(xiàng)目時(shí)間安排。
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