音頻是許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不可或缺的一部分，包括揚(yáng)聲器和耳機(jī)等消費(fèi)品、助聽(tīng)器等可穿戴設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備、自動(dòng)化和工業(yè)控制應(yīng)用、娛樂(lè)系統(tǒng)和汽車信息娛樂(lè)單元等。

物聯(lián)網(wǎng)音頻大致可分為三類：流媒體（即音樂(lè)、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)）、語(yǔ)音識(shí)別/命令以及通過(guò)藍(lán)牙和 Wi-Fi 連接的無(wú)線（例如，通過(guò) Wi-Fi 將多聲道音頻流式傳輸?shù)郊彝キh(huán)繞聲系統(tǒng)）。然而，當(dāng)工程師必須遵守基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備所需的嚴(yán)格約束時(shí)，設(shè)計(jì)高質(zhì)量、不間斷的聲學(xué)音頻子系統(tǒng)可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

更復(fù)雜的設(shè)計(jì)是需要包括語(yǔ)音識(shí)別等高級(jí)功能，例如，允許駕駛員以與手機(jī)相同的免提輕松方式控制汽車中的信息娛樂(lè)系統(tǒng)。由于MCU是所有這些音頻系統(tǒng)的核心，因此選擇集成了設(shè)計(jì)可靠無(wú)噪聲音頻系統(tǒng)所需的必要音頻技術(shù)的MCU非常重要。本文探討了可用于設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)的音頻技術(shù)。

音頻子系統(tǒng)的組件

物聯(lián)網(wǎng)音頻涉及三項(xiàng)主要活動(dòng)：高質(zhì)量語(yǔ)音/數(shù)據(jù)、無(wú)線傳輸和語(yǔ)音組合控制。圖 1 顯示了嵌入式系統(tǒng)中最重要的構(gòu)建塊。

［圖1 |此框圖顯示了音頻處理子系統(tǒng)中更重要的構(gòu)建塊。

請(qǐng)注意，其中許多功能可以集成到現(xiàn)代MCU中，例如本例中使用的集成Wi-Fi 802.11n的賽普拉斯CYW43907?；谖锫?lián)網(wǎng)的系統(tǒng)可能包括的一些重要音頻技術(shù)是：

音樂(lè)應(yīng)用

支持音頻的MCU允許工程師解碼大多數(shù)流行媒體播放器和內(nèi)容提供商使用的MP3 / 4流。許多設(shè)計(jì)還需要支持WMA和Apple的AAC解碼，這需要更多的處理能力。在消費(fèi)類音頻應(yīng)用中通?？梢允褂玫统杀疽纛lMCU，通常是通過(guò)管理音頻配件（如數(shù)字揚(yáng)聲器組）中的數(shù)字音樂(lè)流。

在這些應(yīng)用中，一幀 PCM 音頻數(shù)據(jù)（封裝在 USB 音頻類格式中）每 1 ms 通過(guò)處理器的 SPI/I2C 串行通道之一到達(dá)一次。根據(jù)源的不同，音頻流可能以多種格式之一到達(dá)（即左對(duì)齊、右對(duì)齊、I2S 等）但是，某些低成本編解碼器只能接受特定格式。在這些情況下，MCU在確保數(shù)據(jù)在饋送到編解碼器之前正確對(duì)齊方面發(fā)揮著重要作用。

由于并非所有音頻源都使用相同的采樣率，因此編解碼器還必須根據(jù)源調(diào)整其采樣頻率，或者依靠MCU將采樣數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為通用數(shù)據(jù)速率（見(jiàn)圖2）。在這些情況下，MCU 必須管理流，以避免低于或超限的情況，否則會(huì)導(dǎo)致靜音、爆音和音頻不連續(xù)，這些情況會(huì)隨著數(shù)據(jù)丟失而發(fā)生，并破壞用戶的收聽(tīng)體驗(yàn)。請(qǐng)注意，音頻MCU還可用于實(shí)現(xiàn)音頻子系統(tǒng)的其他功能，例如在音頻播放期間控制照明。

［圖2 |音頻MCU可能需要執(zhí)行格式轉(zhuǎn)換、采樣率調(diào)整和流管理，并支持音頻用戶界面。

為了在廣泛的應(yīng)用中啟用音頻，音頻MCU需要支持各種音頻技術(shù)。

音頻編解碼器（enCOder/DECoder）

音頻編解碼器是音頻系統(tǒng)的主要前端組件。許多專為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的MCU都支持硬件中的編解碼器功能。這使得系統(tǒng)能夠減小數(shù)字音頻樣本的大小，以加快無(wú)線傳輸速度（節(jié)省功耗）并節(jié)省存儲(chǔ)空間（減少內(nèi)部存儲(chǔ)器容量的壓力）。編解碼器可能支持各種音頻標(biāo)準(zhǔn)格式，例如 AAC、AC-3 和 ALAC。為此，它將需要一個(gè)解碼訪問(wèn)單元（AU），該單元在任何音頻后處理（例如DSOLA，SOLA）之前實(shí)現(xiàn)。當(dāng)與 AAC、AC-3 和 ALAC 等標(biāo)準(zhǔn)音頻格式一起使用時(shí)，音頻的分類方式是，后續(xù)音頻樣本在音頻數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)流中指定的規(guī)定格式內(nèi)。數(shù)據(jù)包間隔也經(jīng)過(guò)管理，以允許最小的交叉抖動(dòng)和在存在擁塞的情況下不間斷的操作。AU 有效載荷大小允許需要執(zhí)行的任何隱藏。

基帶處理

基帶信號(hào)是模擬或數(shù)字波形中可由電子電路處理的基本頻率組。基帶信號(hào)可以由單個(gè)頻率或一組頻率組成，或者在數(shù)字域中，可以由通過(guò)非多路復(fù)用通道發(fā)送的數(shù)據(jù)流組成。基帶定義為基帶（信號(hào)）與載波信號(hào)的混合，以產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)。請(qǐng)注意，在支持物聯(lián)網(wǎng)音頻的MCU中，音頻編解碼器與基帶處理和RF集成在單個(gè)芯片上。音頻編解碼器可以在各種無(wú)線收發(fā)器中實(shí)現(xiàn)，以提供語(yǔ)音數(shù)據(jù)和/或音樂(lè)功能。該編解碼器還具有用于音頻輸出的單聲道和立體聲通道，以及立體聲輸入。

丟包隱藏和數(shù)據(jù)復(fù)制

過(guò)快的延遲、數(shù)據(jù)包丟失和高延遲抖動(dòng)都會(huì)損害通信質(zhì)量。突發(fā)數(shù)據(jù)包丟失的可能性隨著網(wǎng)絡(luò)加載而增加，并導(dǎo)致用戶可以聽(tīng)到的中斷。通過(guò) Wi-Fi 的強(qiáng)大音頻傳輸可以通過(guò)賽普拉斯的數(shù)據(jù)包丟失隱藏技術(shù)等高級(jí)功能得到增強(qiáng)。系統(tǒng)架構(gòu)源/接收器如下：一個(gè)源捕獲音頻，通過(guò)RTP流結(jié)構(gòu)復(fù)用PCM數(shù)據(jù)，并將時(shí)鐘與連接到PLC源的所有接收器同步。

請(qǐng)注意，通信鏈路的性能取決于鏈路預(yù)算性能的質(zhì)量。該鏈路預(yù)算由三個(gè)因素決定：發(fā)射功率、發(fā)射天線增益和接收天線增益。例如，如果鏈路路徑的功率減去可用空間損失大于接收無(wú)線電的最小接收信號(hào)電平，則可以通過(guò)802.11網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠的通信。

語(yǔ)音清晰度增強(qiáng) （SIE）

音頻系統(tǒng)中的背景噪音會(huì)降低語(yǔ)音的清晰度。如果噪音超出一定水平，則語(yǔ)音可能會(huì)變得難以理解。嵌入式設(shè)備上實(shí)時(shí)連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別的可用性要求系統(tǒng)能夠增強(qiáng)噪聲損壞語(yǔ)音的清晰度。選擇支持移植和優(yōu)化常用大詞匯連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別（LVCSR）系統(tǒng)的MCU可以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)。

喚醒短語(yǔ)檢測(cè) （WUPD）

此高級(jí)功能使用戶能夠通過(guò)語(yǔ)音激活設(shè)備，以免提方式打開(kāi)系統(tǒng)。

對(duì)一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器進(jìn)行高效多播

組播是一種網(wǎng)絡(luò)尋址方法，用于使用最有效的策略同時(shí)向一組目標(biāo)傳遞信息。消息僅通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)鏈路傳遞一次，僅當(dāng)下一個(gè)鏈路拆分到多個(gè)目標(biāo)（通常在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器上）時(shí)才創(chuàng)建副本。但是，與用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 （UDP） 一樣，多播不保證消息流的傳遞，從而導(dǎo)致丟棄消息或消息傳遞順序不正確?？煽拷M播 （RMC） 為組播數(shù)據(jù)包（僅限數(shù)據(jù)包）提供確認(rèn)，以便可以可靠地傳送某些特定的組播數(shù)據(jù)包。發(fā)射器選擇RSSI最弱的接收器來(lái)確認(rèn)幀。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn) RMC 意味著 Wi-Fi 發(fā)射器從眾多 Wi-Fi 接收器中選擇一個(gè)來(lái)確認(rèn)幀接收。發(fā)射器選擇RSSI最弱的接收器來(lái)確認(rèn)幀。該實(shí)現(xiàn)使用包含專有 RMC 信息元素的操作框架來(lái)通知和啟用確認(rèn)。該實(shí)現(xiàn)還包含特定于 RMC 的 Wi-Fi 驅(qū)動(dòng)程序命令，用于設(shè)置組播 MAC 地址以及啟用和禁用 RMC。

對(duì)于傳輸延遲固定且對(duì)稱的音頻和視頻，滿足時(shí)間同步要求;例如，RMC 可以依靠高度精確的定時(shí)和同步來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、視頻和移動(dòng)數(shù)據(jù)的平穩(wěn)小區(qū)間傳輸。從技術(shù)角度來(lái)看，實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確和精確的時(shí)序并非易事，因此找到一種可以驗(yàn)證是否滿足應(yīng)用要求的實(shí)現(xiàn)非常重要。

成幀格式、前向糾錯(cuò)和數(shù)據(jù)包復(fù)制

對(duì)于音頻流，時(shí)鐘與所有 Wi-Fi 接收器同步至關(guān)重要。一種方法是對(duì)源和接收器設(shè)備使用通用時(shí)鐘，通常稱為掛鐘或系統(tǒng)時(shí)鐘 （STC）。首先，每個(gè)接收器（接收器）將其STC（掛鐘）與源/發(fā)射器的STC（主掛鐘）同步。每個(gè)接收器現(xiàn)在可以恢復(fù)發(fā)射器的時(shí)鐘，因?yàn)樵床迦氲臅r(shí)間戳（在每個(gè) RTP 數(shù)據(jù)包的擴(kuò)展標(biāo)頭中可用）反映了媒體相對(duì)于公共時(shí)鐘的采樣時(shí)刻。

STC 基于 802.1AS 規(guī)范中概述的 Grandmaster 時(shí)鐘值。由于所有接收器設(shè)備都知道 STC 與源設(shè)備的媒體時(shí)鐘（與 RTP 或媒體時(shí)間戳相關(guān)）之間的相關(guān)性，因此每個(gè)接收器都可以重建源設(shè)備的 RTP 媒體時(shí)鐘的副本，并適當(dāng)?shù)嘏抨?duì)其輸出以正確呈現(xiàn)。透明時(shí)鐘是硬件/ucode 可以對(duì)接收和傳輸數(shù)據(jù)包的時(shí)間戳盡可能靠近 MAC/PHY 接口的時(shí)鐘。雖然此時(shí)鐘值不用于播放，但它可用于測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)的抖動(dòng)并進(jìn)行徹底的性能分析。

智能家居音響系統(tǒng)示例

要在上下文中理解物聯(lián)網(wǎng)音頻，請(qǐng)考慮智能家居的示例以及音頻在提高智能家居系統(tǒng)整體功能方面可以發(fā)揮的作用。當(dāng)家中的設(shè)備和電器可以相互通信以及居住在那里的人們時(shí)，家庭就變成了智能家居。通過(guò)增加我們的互聯(lián)性，智能家居正在改善我們的生活質(zhì)量，并提高我們的安全性。

智能家居中音頻的主要用例之一是通過(guò)Wi-Fi或藍(lán)牙存儲(chǔ)和共享音頻。通過(guò)BLE選擇的Wi-Fi因應(yīng)用程序而異，取決于范圍和音頻質(zhì)量要求。例如，如果門口有人按門鈴，而不是只在家里的一個(gè)地方鳴叫，家庭控制器可以在房子的每個(gè)房間播放特定的聲音。同樣，控制器可以將聲音限制在特定房間，例如不在嬰兒的托兒所。嵌入式控制器有助于處理此音頻，并通過(guò)管理各種輸出控制功能使系統(tǒng)更加智能。

重播音頻系統(tǒng)

重播音頻系統(tǒng)已成為音頻市場(chǎng)的重要應(yīng)用。無(wú)線音頻轉(zhuǎn)播系統(tǒng)是智能家居的核心，將家庭中的許多不同的智能設(shè)備匯集在一起，并代表用戶做出明智的決策。例如，音頻系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前播放的音樂(lè)控制房屋中的照明模式。它還可以使用文本到語(yǔ)音識(shí)別來(lái)大聲朗讀用戶通知或電子郵件。用戶還可以選擇使用可聯(lián)網(wǎng)的音頻設(shè)備（例如合并在房屋不同房間中的無(wú)線揚(yáng)聲器）在多房間音頻系統(tǒng)中創(chuàng)建區(qū)域。這種方法創(chuàng)建了一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，以確保房屋始終以最高效率運(yùn)行，同時(shí)最大限度地減少與居住在那里的人們的互動(dòng)。為了創(chuàng)建這樣的生態(tài)系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員需要選擇具有適當(dāng)性能和基于音頻的功能的嵌入式微控制器，這些功能已針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

數(shù)字信號(hào)處理效果

在音頻數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線鏈路傳輸之前，數(shù)字域中的音頻信號(hào)處理是任何音頻系統(tǒng)的重要組成部分。這種處理通常涉及測(cè)量、濾波和/或壓縮音頻模擬信號(hào)。集成了DSP功能的嵌入式MCU可實(shí)現(xiàn)添加數(shù)字混音器和支持遠(yuǎn)程控制功能等效果。每個(gè)通道上都有一個(gè) 5 頻段均衡器，音頻播放可以與大多數(shù)音序器應(yīng)用程序巧妙集成，形成一個(gè)強(qiáng)大的錄音室系統(tǒng)。

實(shí)時(shí)音頻流

Spotify和Pandora等音樂(lè)流媒體服務(wù)允許用戶選擇他們想要播放的歌曲。這些服務(wù)的理想使用使用戶能夠在家中流式傳輸音頻，并支持一些智能語(yǔ)音命令，例如選擇要添加到播放列表的歌曲。它們還可以使用智能家居音頻系統(tǒng)將實(shí)時(shí)互聯(lián)網(wǎng)流式傳輸?shù)郊彝サ牟煌块g。

音頻是許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要功能，需要高質(zhì)量的音頻來(lái)支持許多高級(jí)功能，例如流質(zhì)量音頻、語(yǔ)音識(shí)別/命令以及使用智能家居音頻系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線鏈路（藍(lán)牙和 Wi-Fi）進(jìn)行音頻傳輸。借助合適的MCU和集成技術(shù)，可以設(shè)計(jì)出可靠、無(wú)噪聲且經(jīng)濟(jì)高效的物聯(lián)網(wǎng)音頻系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷