實現(xiàn)極低功耗藍牙的語音遙控器設(shè)計方案詳細說明

虛擬助理被集成到家中更多的設(shè)備中，亞馬遜 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，為消費者提供更多獲取信息的途徑。在這些新的語音產(chǎn)品中反復(fù)出現(xiàn)的主題是無線和免提的，可輕松地連接到手機或其他主機上，并聆聽指令。其內(nèi)部技術(shù)是一個支持無線連接的藍牙射頻芯片組和運行喚醒字引擎（WWE）的專用嵌入式處理器來識別語音命令。

這種趨勢的另一個例子是，每一臺新的平板電視、機頂盒和媒體播放器都配備了遙控器，他們也將很快完全無線和免提。當(dāng)然，當(dāng)你想要語音控制的時候，很多人仍然會使用舊的紅外視線遙控模式或者按鍵對話，但這些都很快就過時了。用戶需要一個能無縫響應(yīng)命令的設(shè)備，而不是像對講機那樣必須按住通話鍵的設(shè)備。與 近亞馬遜的電子產(chǎn)品浪潮類似，下一代電視遙控器將是無線和免提的。

然而，遙控設(shè)計也帶來了一些獨特的挑戰(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，還可以將信息以無線方式即時傳輸?shù)街鳈C設(shè)備上（如電視）。

此外，消費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，但同時功耗還要比入耳式耳機更少。

設(shè)計功能強大、高效節(jié)能的遙控器是一個挑戰(zhàn)，需要創(chuàng)新的藍牙解決方案和音頻處理解決方案，因為其中每一個改進都會延長電池壽命。

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

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

除了極低功耗的藍牙設(shè)計外，還可以使用一個二次喚醒接收器，該接收器功耗可以更低（比標(biāo)準(zhǔn)接收器低20到50倍），使整個藍牙SoC進入深度睡眠狀態(tài)；該設(shè)備可以通過另一臺主機的特殊模式喚醒。我們不會在這里詳細介紹這項技術(shù)，因為它只適用于少量的專用遙控器。

第三種低功耗技術(shù)是利用能量收集來獲取射頻無線能量以延長電池壽命。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，可以采集這些能量。根據(jù)能量水平，一個裝置可以獲得幾十微瓦的能量。 終目標(biāo)是在可能的情況下替代電池電源，將電池的壽命延長到幾年，而目前遙控器的壽命只有6到9個月。對于工業(yè)和特殊用途的遙控器，還可以使用其他能源技術(shù)，如太陽能、熱能和運動能量收集。

如前所述，要實現(xiàn)真正的免提操作，遙控器必須同時像智能揚聲器一樣工作，但也要像入耳式耳機一樣節(jié)能。像QuickLogic這樣的公司已經(jīng)開發(fā)出高度優(yōu)化、超低功耗的配套器件來配合藍牙芯片組來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

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

在待機狀態(tài)下，藍牙和伴生芯片處于休眠狀態(tài)，等待周圍環(huán)境中的一些喚醒詞。實現(xiàn)這一點 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10？A，等待環(huán)境聲超過預(yù)先配置的閾值。在一個典型的起居室用例中，系統(tǒng)在80%的時間內(nèi)處于這種模式。

一旦達到閾值水平，就會從麥克風(fēng)觸發(fā)一個中斷，并喚醒伴隨芯片；此時進入喚醒字檢測模式。伴隨芯片的MCU可以啟動并運行WWE一段時間，以檢測關(guān)鍵字是否被說出。第三方解決方案（如Retune DSP的VoiceSpot WWE）可以在Cortex-M4上運行，只需使用一個麥克風(fēng)，無需使用多麥克風(fēng)自適應(yīng)波束形成的計算密集型解決方案，而多麥克風(fēng)自適應(yīng)波束形成通常是中場（3到9英尺）語音識別所需的。

除了明顯的節(jié)省處理器資源外，從系統(tǒng)中減少每一個麥克風(fēng)還可節(jié)省400至650？A（有功功率）。如果檢測到喚醒字，它會中斷并喚醒藍牙芯片進入數(shù)據(jù)傳輸模式。這是必要的，因為在喚醒字之后的用戶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（如電視）。

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

藍牙5.0/LE非常適合數(shù)據(jù)傳輸模式，因為它可以在低功耗的按需數(shù)據(jù)包中傳輸數(shù)據(jù)。一個理想的伴侶應(yīng)該有足夠的存儲空間和處理能力，以便在將語音數(shù)據(jù)發(fā)送到藍牙設(shè)備之前對其進行壓縮，一個典型的例子是運行Opus音頻編碼器。