安森美半導(dǎo)體的移動(dòng)及智能音箱音頻

音頻/語(yǔ)音用戶接口（VUI）是未來(lái)人機(jī)交互的一個(gè)重要的新興趨勢(shì)，將越來(lái)越多地用于智能家居控制、樓宇自動(dòng)化、智能零售、聯(lián)接的汽車、醫(yī)療等物聯(lián)網(wǎng)垂直領(lǐng)域，這涉及語(yǔ)音觸發(fā)、識(shí)別、處理技術(shù)，同時(shí)設(shè)計(jì)人員還面臨如何提高能效的挑戰(zhàn)。

針對(duì)本地和云端，安森美半導(dǎo)體都有相應(yīng)的VUI方案，提供先進(jìn)的語(yǔ)音觸發(fā)、識(shí)別、處理、控制等功能，具備出色的計(jì)算能力和能效，確保卓越的用戶體驗(yàn)。

VUI架構(gòu)及分類

圖1是基于麥克風(fēng)陣列的高級(jí)語(yǔ)音接口架構(gòu)，本地處理需要進(jìn)行說(shuō)話人跟蹤、語(yǔ)音增強(qiáng)，其中涉及波束成形、喚醒詞檢測(cè)、聲源定位、降噪、語(yǔ)音檢測(cè)等技術(shù)，云端方案則涉及自然語(yǔ)言處理。其后，指令還需通過(guò)音頻播放功能播放出來(lái)，同時(shí)需進(jìn)行回聲消除。

圖1 基于麥克風(fēng)陣列的高級(jí)語(yǔ)音接口架構(gòu)

本地VUI以預(yù)存的詞或句為識(shí)別單位，說(shuō)話人可以是特定用戶也可以是非特定用戶，而云端VUI基于人工智能進(jìn)行語(yǔ)義理解和語(yǔ)音合成，說(shuō)話人是非特定用戶。

本地VUI通過(guò)藍(lán)牙聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)，而云端VUI通常通過(guò)WiFi聯(lián)接。

本地VUI的功耗和信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)更低，云端VUI具有更高的識(shí)別率和擴(kuò)展性。

相對(duì)而言，本地VUI比云端VUI的功耗低。

設(shè)計(jì)人員可根據(jù)特定應(yīng)用需求決定是用本地VUI方案還是云端VUI方案。

本地VUI方案

根據(jù)本地VUI方案的特點(diǎn)，它必須能進(jìn)行雙向語(yǔ)音通信，能識(shí)別非特定用戶語(yǔ)音，支持充足的指令和多種語(yǔ)言，可靈活擴(kuò)展，最好把波束成形和降噪等技術(shù)集成到單個(gè)芯片上以降低成本和減小占位。

如安森美半導(dǎo)體的單芯片方案LC823450，含雙Cortex-M3核，集成數(shù)字信號(hào)處理（DSP）用作語(yǔ)音前端處理，SRAM提供1656k字節(jié)內(nèi)存，無(wú)需配備輔助內(nèi)存芯片，含兩個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)I/F接口、兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，包括回音消除、降噪等先進(jìn)功能，具備極高擴(kuò)展性、小占位，功耗超低，若結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴的語(yǔ)音控制技術(shù)如Sensory的TrulyHandsfree，支持喚醒詞和語(yǔ)音命令的定制，適用于家居自動(dòng)化和音樂(lè)播放的語(yǔ)音交互。

圖2所示為本地VUI方案的一個(gè)示例應(yīng)用框圖及評(píng)估板。采用安森美半導(dǎo)體的超低功耗音頻處理單芯片LC82345X、麥克風(fēng)預(yù)放大器FAN3852、低壓降穩(wěn)壓器（LDO）NCP170、同步PWM開(kāi)關(guān)降壓穩(wěn)壓器NCP3170、單聲道音頻功率放大器NCP2823。

安森美半導(dǎo)體憑借在電源管理的經(jīng)驗(yàn)和專知，使這方案實(shí)現(xiàn)超低功耗，這是此方案與其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手方案相比的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)有的方案雖然未集成WiFi、藍(lán)牙雙模的模塊，但安森美半導(dǎo)體已收購(gòu)了WiFi領(lǐng)袖Quantenna，已具備相關(guān)技術(shù)，未來(lái)會(huì)考慮將WiFi模塊也集成進(jìn)去。

圖2 語(yǔ)音控制應(yīng)用框圖及評(píng)估板

云端VUI方案

從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，云端VUI除了進(jìn)行語(yǔ)義理解和語(yǔ)音合成，還可推送各種服務(wù)，如智能語(yǔ)音助手除了可播放音樂(lè)、講故事，還支持智能零售，如打車、叫外賣等。當(dāng)前云端VUI的一個(gè)痛點(diǎn)是工作頻率較高，需外接存儲(chǔ)器和閃存，耗電量大，物料單（BoM）成本高。

安森美半導(dǎo)體的音頻DSP系統(tǒng)單芯片（SoC）LC823455方案很好地解決了這些痛點(diǎn)問(wèn)題，集成4MRAM，無(wú)需外部存儲(chǔ)，除了CPU核外還含波束成形、降噪、回音消除功能，集成預(yù)實(shí)現(xiàn)的音頻硬件（模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及功放），降低BoM成本，因降低時(shí)鐘頻率從而提供功耗優(yōu)化的MCU，功耗超低，提供穩(wěn)定的聯(lián)接和極高擴(kuò)展性，寬廣的封裝陣容支持各種音頻產(chǎn)品，如音樂(lè)播放器、錄音器、智能家電、WiFi/藍(lán)牙音箱等。

圖3所示為智能音箱參考設(shè)計(jì)框圖，此參考設(shè)計(jì)基于LC823455，有4個(gè)ONA101V和1個(gè)ONA40功放，含USB-C PD源/汲接口，支持Strata平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員只需將此評(píng)估板插入裝有Strata的電腦，即可自動(dòng)識(shí)別并開(kāi)始下載相關(guān)的所有文檔及配套資料，包括原理圖、布板、測(cè)試報(bào)告、用戶指南等，同時(shí)出現(xiàn)圖形用戶界面（GUI），顯示所有相關(guān)參數(shù)和選項(xiàng)供工程師開(kāi)始評(píng)估，幫助加快和簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)。

此參考設(shè)計(jì)目前支持亞馬遜Alexa語(yǔ)音服務(wù)，安森美半導(dǎo)體也在同中國(guó)國(guó)內(nèi)一些語(yǔ)音服務(wù)商接洽，未來(lái)也會(huì)支持國(guó)內(nèi)語(yǔ)音助手。

這方案最顯著的一個(gè)優(yōu)勢(shì)也是超低功耗，經(jīng)過(guò)將其與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手方案的功耗進(jìn)行測(cè)試，安森美半導(dǎo)體的方案功耗約為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手方案功耗的一半。

圖3 智能音箱參考設(shè)計(jì)框圖

安森美半導(dǎo)體的移動(dòng)及智能音箱音頻

技術(shù)/知識(shí)產(chǎn)權(quán)

安森美半導(dǎo)體具備豐富的知識(shí)產(chǎn)權(quán)支持移動(dòng)及智能音箱的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，包括音頻處理系統(tǒng)、D類功放、麥克風(fēng)預(yù)放大、高性能音頻開(kāi)關(guān)，提供具競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)助力設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品。

在音頻處理系統(tǒng)方面的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)包括小的PCB占位、高度集成的SoC（CPU+DSP+音頻）、集成ARMCortex-M3雙核、專有的32位DSP。

在D類功放方面，支持小于10W、10W至30 W，針對(duì)大于30W的應(yīng)用僅提供樣品。其中小于10W的功放尺寸小，采用模擬輸入，10W至30W的功放支持?jǐn)?shù)字接口，提供最佳的動(dòng)態(tài)范圍、增益誤差漂移。

對(duì)于麥克風(fēng)預(yù)放大，安森美半導(dǎo)體的方案采用最小的標(biāo)準(zhǔn)間距WLCSP封裝將模擬音頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻，支持不同的傳感器接口。

音頻開(kāi)關(guān)方面，安森美半導(dǎo)體提供最小阻抗/面積的耗盡型開(kāi)關(guān)。
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