德州儀器：智能家居音頻設計入門

近年來，智能家居技術一直在迅速發(fā)展。越來越多的家庭采用 Amazon Echo 和 Google Home 等智能揚聲器。一度只生產(chǎn)簡單家用設備的公司，現(xiàn)正面臨著高保真音頻輸出的需求。這種音頻輸出遠遠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；此音頻技術能使電冰箱大聲報讀食品清單，或讓照明開關提醒人們在離開房間之前關燈。

增添先進的音頻功能是令人怯步的艱巨工作，會使本已緊張的工程設計團隊的時間表變得復雜紛亂。在本篇博文中，我將探討與智能家居音頻設計相關的四大挑戰(zhàn)和如何簡化設計過程的方法。

1.難以定義項目要求。

您要從事的項目聽上去很簡單：讓這件設備講話。但伴隨音頻輸出的是許多設計選擇和挑戰(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 的交互式框圖針對特定智能家居應用提供組件方面的建議。例如，圖 1 顯示的智能揚聲器框圖，重點介紹了功能能夠滿足多種智能家居設計要求的音頻子系統(tǒng)和大量揚聲器放大器。同一頁上的音頻參考設計附帶可用作項目模板的原理圖和配套部分，既增加了系統(tǒng)級知識，又降低了組件選擇的難度。

圖 1：智能揚聲器框圖

TI 框圖是開始設計的很棒的第一步，但是揚聲器放大器的選擇最終將取決于您的項目要求。最常見的智能家居產(chǎn)品要求中的兩個，是高效率和簡潔而重點明晰的設備概要文件。

2.音頻輸出和先進功能會降低能源效率。

為智能家居設備添加額外功能會增加功耗，音頻功能也會導致這樣的結(jié)果。隨著科技公司不斷努力開發(fā)綠色環(huán)保技術和政府頒布有關備用電源的法規(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)是浪費功率和降低用戶滿意度的主要元兇之一，它增加電費開支，還能更快速地消耗電池電能，甚至使設備發(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，它們則必須響應；想一想閑置模式下的安防攝像機或智能顯示屏，就會明白其中的道理。另一方面，在開泳池派對時，藍牙? 揚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用問題，TI 最新的揚聲器放大器擁有了先進的內(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)中的待機電流損耗降至最低，同時采用音頻信號包絡跟蹤算法的板載 H 類升壓設置，能夠?qū)㈦姵?a target="_blank">供電系統(tǒng)的電池續(xù)航時間延長多達 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.物理條件局限限制了音頻性能。

電子設備已經(jīng)縮水為極簡潔的設計。家用設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)字信號處理器（DSP）、升壓轉(zhuǎn)換器和揚聲器，而又不增大總體尺寸成為一件困難的事情。

TI 的音頻團隊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)的核心是智能揚聲器，它的高品質(zhì)音樂和虛擬輔助反饋對于博取高用戶滿意度至關重要。增添音頻 DSP 來產(chǎn)生高品質(zhì)輸出，亦同時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)揚聲器輸出最清晰的虛擬輔助響應和最豐富的音樂體驗。外部回聲消除算法甚至能夠利用預處理后的信號，幫助智能揚聲器更準確地區(qū)分音頻輸出和用戶語音命令。

D 類揚聲器放大器的高開關頻率，導致電磁干擾（EMI），使音頻信號失真。這通常需要由多個大型電感器進行抑制。但是諸如擴展頻譜和相位優(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，揚聲器輸出功率與其尺寸緊密相關；如果您想要更大的音量，就需要更大的換能器，但在設計空間局促的產(chǎn)品時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，同時還要保持小巧纖薄的外形。適合這些設計的智能揚聲器，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 揚聲器保護算法，較小的揚聲器也能安全輸出較高音量，達致前所未有的優(yōu)越音質(zhì)。

如圖 3 所示，采用揚聲器保護算法的 TI 智能放大器，使工程師能夠充分利用揚聲器功能和輸出更高的平均功率，而又不會把換能器集成從設計中拿掉。在智能家居中，音量的視場合變化意味著訪客坐在車里，即使旁邊有汽車飛馳而過，也能輕松聽到主人的聲音。

圖 3：揚聲器保護算法使揚聲器能夠輸出比傳統(tǒng)放大器高出兩倍的音量，同時不會損壞元器件

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，或者如果未能正確處置會引起裝置起火。設計時牢記散熱，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聲器放大器減少散熱，方法是在過熱情況下，動態(tài)調(diào)節(jié)音頻信號的增益。在設計安全可靠產(chǎn)品的初始階段，就必須牢記熱量管理。

4.運用先進的音頻放大器技術/功能，要求深厚的專業(yè)技能，并且實施起來有難度。

先進功能能解決許多問題，這在方案研究階段聽上去很不錯，但如果很難實施就沒有什么價值了，尤其對于首次設計音頻的工程師而言更是如此。從零開始構建特性或通過外部組件實施是困難的，一來不能有效使用 PCB 空間，二來需要電力電子和信號處理方面的專業(yè)知識。為簡化下一代產(chǎn)品的設計，TI 不僅為放大器集成了多種功能，而且還提供免費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備的評估模塊（EVM）簡化了對這些設備的操控，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、標定設置和體現(xiàn)揚聲器的特征。

逐步調(diào)節(jié)和特征化向?qū)Ъ按罅颗嘤栙Y源，拉平了與學習新工具相關的學習曲線（即，降低了學習難度，減少了學習時間）。該軟件兼容多種 TI 音頻評估模塊（EVM），支持項目在未來采用新設備，軟件套件則不需要變化。

由于功耗管理、揚聲器保護和音頻均衡都集成到了 TI 設備中，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，這使得我們運用這些設備和軟件便能夠創(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目時間安排。