智能家居音頻設(shè)計(jì)入門

近年來，智能家居技術(shù)一直在迅速發(fā)展。越來越多的家庭采用 Amazon Echo 和 Google Home 等智能揚(yáng)聲器。一度只生產(chǎn)簡單家用設(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)和如何簡化設(shè)計(jì)過程的方法。

1.難以定義項(xiàng)目要求。

您要從事的項(xiàng)目聽上去很簡單：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。

為了簡化選擇放大器的過程，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 顯示的智能揚(yáng)聲器框圖，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：智能揚(yáng)聲器框圖

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。最常見的智能家居產(chǎn)品要求中的兩個(gè)，是高效率和簡潔而重點(diǎn)明晰的設(shè)備概要文件。

2.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? 揚(yáng)聲器需要高效播放夏日樂單，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?a target="_blank">供電系統(tǒng)的電池續(xù)航時(shí)間延長多達(dá) 40%。圖 2 說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

3.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)的核心是智能揚(yáng)聲器，它的高品質(zhì)音樂和虛擬輔助反饋對(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)，幫助智能揚(yáng)聲器更準(zhǔn)確地區(qū)分音頻輸出和用戶語音命令。

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。

一般來說，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)的智能揚(yáng)聲器，輸出的功率也較低，因此更易于因過熱和超溫而損壞。但由于有了 TI 揚(yáng)聲器保護(hù)算法，較小的揚(yáng)聲器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，音量的視場合變化意味著訪客坐在車?yán)?，即使旁邊有汽車飛馳而過，也能輕松聽到主人的聲音。

圖 3：揚(yáng)聲器保護(hù)算法使揚(yáng)聲器能夠輸出比傳統(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)品帶來了問題。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。

4.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)施起來有難度。

先進(jìn)功能能解決許多問題，這在方案研究階段聽上去很不錯(cuò)，但如果很難實(shí)施就沒有什么價(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)建特性或通過外部組件實(shí)施是困難的，一來不能有效使用 PCB 空間，二來需要電力電子和信號(hào)處理方面的專業(yè)知識(shí)。為簡化下一代產(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 軟件套裝通過連接各設(shè)備的評(píng)估模塊（EVM）簡化了對(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 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。

審核編輯：郭婷