極低功耗藍(lán)牙的語(yǔ)音遙控器設(shè)計(jì)方案

虛擬助理被集成到家中更多的設(shè)備中，亞馬遜最近宣布，它將為Alexa推出包括耳塞、眼鏡和戒指在內(nèi)的多種新型設(shè)備，為消費(fèi)者提供更多獲取信息的途徑。在這些新的語(yǔ)音產(chǎn)品中反復(fù)出現(xiàn)的主題是無(wú)線(xiàn)和免提的，可輕松地連接到手機(jī)或其他主機(jī)上，并聆聽(tīng)指令。其內(nèi)部技術(shù)是一個(gè)支持無(wú)線(xiàn)連接的藍(lán)牙射頻芯片組和運(yùn)行喚醒字引擎（WWE）的專(zhuān)用嵌入式處理器來(lái)識(shí)別語(yǔ)音命令。

這種趨勢(shì)的另一個(gè)例子是，每一臺(tái)新的平板電視、機(jī)頂盒和媒體播放器都配備了遙控器，他們也將很快完全無(wú)線(xiàn)和免提。當(dāng)然，當(dāng)你想要語(yǔ)音控制的時(shí)候，很多人仍然會(huì)使用舊的紅外視線(xiàn)遙控模式或者按鍵對(duì)話(huà)，但這些都很快就過(guò)時(shí)了。用戶(hù)需要一個(gè)能無(wú)縫響應(yīng)命令的設(shè)備，而不是像對(duì)講機(jī)那樣必須按住通話(huà)鍵的設(shè)備。與最近亞馬遜的電子產(chǎn)品浪潮類(lèi)似，下一代電視遙控器將是無(wú)線(xiàn)和免提的。

然而，遙控設(shè)計(jì)也帶來(lái)了一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)。例如，遙控器通常不可充電；它們通常使用標(biāo)準(zhǔn)的AA電池。遙控器不僅需要在嘈雜的環(huán)境中表現(xiàn)良好，而且需要在距離你身體3到9英尺的地方，還可以將信息以無(wú)線(xiàn)方式即時(shí)傳輸?shù)街鳈C(jī)設(shè)備上（如電視）。

此外，消費(fèi)者更喜歡使用不需要頻換更換的耐用電池，從本質(zhì)上講，遙控器的性能必須像亞馬遜Echo Dot一樣，但同時(shí)功耗還要比入耳式耳機(jī)更少。

設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大、高效節(jié)能的遙控器是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要?jiǎng)?chuàng)新的藍(lán)牙解決方案和音頻處理解決方案，因?yàn)槠渲忻恳粋€(gè)改進(jìn)都會(huì)延長(zhǎng)電池壽命。

使用藍(lán)牙5.0/LE解決了傳統(tǒng)紅外的幾個(gè)問(wèn)題。首先，藍(lán)牙是一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，因此設(shè)備很容易與現(xiàn)有的藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行通信。此外，藍(lán)牙5.0/LE提供了與WiFi設(shè)備相當(dāng)?shù)膫鬏敺秶?，這非常適合語(yǔ)音遙控器。傳統(tǒng)的藍(lán)牙解決方案已經(jīng)針對(duì)手機(jī)和筆記本電腦進(jìn)行了優(yōu)化，這些手機(jī)和筆記本電腦的電池容量更大，而且藍(lán)牙的功耗也沒(méi)有那么大。

Atmosic公司的創(chuàng)新解決方案，可以顯著降低5倍功耗，與競(jìng)爭(zhēng)解決方案相比，電池壽命可延長(zhǎng)3至5倍。

除了極低功耗的藍(lán)牙設(shè)計(jì)外，還可以使用一個(gè)二次喚醒接收器，該接收器功耗可以更低（比標(biāo)準(zhǔn)接收器低20到50倍），使整個(gè)藍(lán)牙SoC進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)；該設(shè)備可以通過(guò)另一臺(tái)主機(jī)的特殊模式喚醒。我們不會(huì)在這里詳細(xì)介紹這項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)樗贿m用于少量的專(zhuān)用遙控器。

第三種低功耗技術(shù)是利用能量收集來(lái)獲取射頻無(wú)線(xiàn)能量以延長(zhǎng)電池壽命。許多家庭和建筑物都有大量的射頻能量（通常在ISM波段），當(dāng)遙控器放在桌子上時(shí)，可以采集這些能量。根據(jù)能量水平，一個(gè)裝置可以獲得幾十微瓦的能量。最終目標(biāo)是在可能的情況下替代電池電源，將電池的壽命延長(zhǎng)到幾年，而目前遙控器的壽命只有6到9個(gè)月。對(duì)于工業(yè)和特殊用途的遙控器，還可以使用其他能源技術(shù)，如太陽(yáng)能、熱能和運(yùn)動(dòng)能量收集。

如前所述，要實(shí)現(xiàn)真正的免提操作，遙控器必須同時(shí)像智能揚(yáng)聲器一樣工作，但也要像入耳式耳機(jī)一樣節(jié)能。像QuickLogic這樣的公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出高度優(yōu)化、超低功耗的配套器件來(lái)配合藍(lán)牙芯片組來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

藍(lán)牙連接的語(yǔ)音遙控器基本上有三種模式：待機(jī)模式、喚醒詞檢測(cè)模式和數(shù)據(jù)傳輸模式，功耗也是逐步增加。

在待機(jī)狀態(tài)下，藍(lán)牙和伴生芯片處于休眠狀態(tài)，等待周?chē)h(huán)境中的一些喚醒詞。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)最節(jié)能的方法之一是使用Vesper的麥克風(fēng)喚醒聲音功能，該功能僅消耗10μA，等待環(huán)境聲超過(guò)預(yù)先配置的閾值。在一個(gè)典型的起居室用例中，系統(tǒng)在80%的時(shí)間內(nèi)處于這種模式。

一旦達(dá)到閾值水平，就會(huì)從麥克風(fēng)觸發(fā)一個(gè)中斷，并喚醒伴隨芯片；此時(shí)進(jìn)入喚醒字檢測(cè)模式。伴隨芯片的MCU可以啟動(dòng)并運(yùn)行WWE一段時(shí)間，以檢測(cè)關(guān)鍵字是否被說(shuō)出。第三方解決方案（如Retune DSP的VoiceSpot WWE）可以在Cortex-M4上運(yùn)行，只需使用一個(gè)麥克風(fēng)，無(wú)需使用多麥克風(fēng)自適應(yīng)波束形成的計(jì)算密集型解決方案，而多麥克風(fēng)自適應(yīng)波束形成通常是中場(chǎng)（3到9英尺）語(yǔ)音識(shí)別所需的。

除了明顯的節(jié)省處理器資源外，從系統(tǒng)中減少每一個(gè)麥克風(fēng)還可節(jié)省400至650μA（有功功率）。如果檢測(cè)到喚醒字，它會(huì)中斷并喚醒藍(lán)牙芯片進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式。這是必要的，因?yàn)樵趩拘炎种蟮挠脩?hù)字需要以脈沖編碼調(diào)制（PCM）或壓縮數(shù)據(jù)的形式傳送到主機(jī)（如電視）。

如果沒(méi)有檢測(cè)到喚醒字，系統(tǒng)將恢復(fù)到初始待機(jī)模式。一些配套芯片，如QuickLogic的芯片，有專(zhuān)用的低功耗聲音檢測(cè)（LPSD）硬件，以降低喚醒字檢測(cè)模式中使用的平均系統(tǒng)功率。例如，有些風(fēng)扇聲音有一個(gè)高分貝聲壓，但顯然不是講話(huà)。LPSD硬件有足夠的智能來(lái)感知這一點(diǎn)，并忽略聲音，以避免不必要地運(yùn)行WWE額外功耗。

藍(lán)牙5.0/LE非常適合數(shù)據(jù)傳輸模式，因?yàn)樗梢栽诘凸牡陌葱钄?shù)據(jù)包中傳輸數(shù)據(jù)。一個(gè)理想的伴侶應(yīng)該有足夠的存儲(chǔ)空間和處理能力，以便在將語(yǔ)音數(shù)據(jù)發(fā)送到藍(lán)牙設(shè)備之前對(duì)其進(jìn)行壓縮，一個(gè)典型的例子是運(yùn)行Opus音頻編碼器。

本文作者：

Scott Haylock：QuickLogic的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)。他擁有超過(guò)20年的片上系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，并擁有密歇根州立大學(xué)的學(xué)士學(xué)位。

Srinivas Pattamatta：Atmosic Technologies業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)的副總裁。他在無(wú)線(xiàn)和其他通信技術(shù)方面也有超過(guò)20年的經(jīng)驗(yàn)。獲得俄勒岡州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位和圣克拉拉大學(xué)工商管理碩士學(xué)位。
編輯：hfy