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安森美半导体的音频方案 实现超低功耗、具成本优势的语音交互应用
2020-03-20 09:00:34
来源:
安森美半导体
音频/语音用户接口(VUI)是未来人机交互的一个重要的新兴趋势,将越来越多地用于智能家居控制、楼宇自动化、智能零售、联接的
汽车
、医疗等
物联网
垂直领域,这涉及语音触发、识别、处理技术,同时设计人员还面临如何提高能效的挑战。针对本地和云端,安森美
半导体
都有相应的VUI方案,提供先进的语音触发、识别、处理、控制等功能,具备出色的计算能力和能效,确保卓越的用户体验。
VUI架构及分类
图1是基于麦克风阵列的高级语音接口架构,本地处理需要进行说话人跟踪、语音增强,其中涉及波束成形、唤醒词检测、声源定位、降噪、语音检测等技术,云端方案则涉及自然语言处理。其后,指令还需通过音频播放功能播放出来,同时需进行回声消除。
图1:基于麦克风阵列的高级语音接口架构
本地VUI以预存的词或句为识别单位,说话人可以是特定用户也可以是非特定用户,而云端VUI基于
人工智能
进行语义理解和语音合成,说话人是非特定用户。本地VUI通过蓝牙联接网络,而云端VUI通常通过WiFi联接。本地VUI的功耗和信息泄露的风险相对更低,云端VUI具有更高的识别率和扩展性。相对而言,本地VUI比云端VUI的功耗低。设计人员可根据特定应用需求决定是用本地VUI方案还是云端VUI方案。
本地VUI方案
根据本地VUI方案的特点,它必须能进行双向语音通信,能识别非特定用户语音,支持充足的指令和多种语言,可灵活扩展,最好把波束成形和降噪等技术集成到单个
芯片
上以降低成本和减小占位。如安森美
半导体
的单
芯片
方案LC823450,含双Cortex-M3核,集成数字信号处理(DSP)用作语音前端处理,SRAM提供1656k字节内存,无需配备辅助内存
芯片
,含两个数字麦克风I/F接口、两个数模转换器,包括回音消除、降噪等先进功能,具备极高扩展性、小占位,功耗超低,若结合生态系统合作伙伴的语音控制技术如Sensory的TrulyHandsfree,支持唤醒词和语音命令的定制,适用于家居自动化和音乐播放的语音交互。
图2所示为本地VUI方案的一个示例应用框图及评估板。采用安森美
半导体
的超低功耗音频处理单
芯片
LC82345X、麦克风预放大器FAN3852、低压降稳压器(LDO)NCP170、同步PWM开关降压稳压器NCP3170、单声道音频功率放大器NCP2823。安森美
半导体
凭借在
电源
管理的经验和专知,使这方案实现超低功耗,这是此方案与其他竞争对手方案相比的一个优势。现有的方案虽然未集成WiFi、蓝牙双模的模块,但安森美
半导体
已收购了WiFi领袖Quantenna,已具备相关技术,未来会考虑将WiFi模块也集成进去。
云端VUI方案
从应用场景来看,云端VUI除了进行语义理解和语音合成,还可推送各种服务,如智能语音助手除了可播放音乐、讲故事,还支持智能零售,如打车、叫外卖等。当前云端VUI的一个痛点是工作频率较高,需外接存储器和闪存,耗电量大,物料单(BoM)成本高。安森美
半导体
的音频DSP系统单
芯片
(SoC)LC823455方案很好地解决了这些痛点问题,集成4M RAM,无需外部存储,除了
CPU
核外还含波束成形、降噪、回音消除功能,集成预实现的音频硬件(模数转换器、数模转换器及功放),降低BoM成本,因降低时钟频率从而提供功耗优化的MCU,功耗超低,提供稳定的联接和极高扩展性,宽广的封装阵容支持各种音频产品,如音乐播放器、录音器、智能家电、WiFi/蓝牙音箱等。
图3所示为智能音箱参考设计框图,此参考设计基于LC823455,有4个ONA101V和1个ONA40功放,含USB-C PD源/汲接口,支持Strata平台,设计人员只需将此评估板插入装有Strata的电脑,即可自动识别并开始下载相关的所有文档及配套资料,包括原理图、布板、
测试
报告、用户指南等,同时出现图形用户界面(GUI),显示所有相关参数和选项供工程师开始评估,帮助加快和简化开发。此参考设计目前支持亚马逊Alexa语音服务,安森美
半导体
也在同中国国内一些语音服务商接洽,未来也会支持国内语音助手。这方案最显著的一个优势也是超低功耗,经过将其与竞争对手方案的功耗进行
测试
,安森美
半导体
的方案功耗约为竞争对手方案功耗的一半。
安森美
半导体
的移动及智能音箱音频技术/知识产权
安森美
半导体
具备丰富的知识产权支持移动及智能音箱的设计开发,包括音频处理系统、D类功放、麦克风预放大、高性能音频开关,提供具竞争力的优势助力设计人员设计出具竞争优势的产品。
在音频处理系统方面的竞争优势包括小的PCB占位、高度集成的SoC(
CPU
+DSP+音频)、集成
ARM
Cortex-M3双核、专有的32位DSP。
在D类功放方面,支持小于10 W、10W至30 W,针对大于30 W的应用仅提供样品。其中小于10 W的功放尺寸小,采用模拟输入,10W至30W的功放支持数字接口,提供最佳的动态范围、增益误差漂移。
对于麦克风预放大,安森美
半导体
的方案采用最小的标准间距WLCSP封装将模拟音频转换为数字音频,支持不同的传感器接口。
音频开关方面,安森美
半导体
提供最小阻抗/面积的耗尽型开关。
周边技术:USB Type-C和D类功放
USB Type-C使每个端口都能成为
电源
、数据、视频或音频端口,大大地方便了用户,将越来越多地用于各种电子应用,如语音交互。安森美
半导体
提供完整的USB Type-C方案阵容支持音频应用的开发,包括供电、复用音频信号、信号开关、接口保护等,具有最小的占位、超低静态功耗,集成丰富的保护功能。
智能音箱等新兴音频应用对功放的要求越来越高,安森美
半导体
针对性地开发出了一系列10 W以上功率等级的D类功放产品线,结合陶瓷封装技术、CMOS电路技术及可针对不同应用定制的功率MOSFET技术,提供低热阻、高频互联、高功率密度、低噪声(<70 uV)、低总谐波失真(THD<0.03%)等优势。以ONA101V为例,这是一款单通道数字输入D类功放,动态范围105 dB,带喇叭采样数字输出功能,该功能实时采样所驱动喇叭的电压和电流,可使用微控制器上运行的算法来计算喇叭特性。这些参数可用于计算喇叭电阻、回响、温度等。根据这些值,可以创建算法来执行一系列任务,从而实现喇叭保护、范围扩展等功能。
总结
语音交互正日渐流行,语音识别和自然语言处理技术是VUI的基础,安森美
半导体
提供本地VUI方案和云端VUI方案,集成波束成形、回音消除、降噪等先进的语音处理技术、超低功耗
电源
管理及USB Type-C、D类功放等周边器件,并携手生态链合作伙伴,大大降低BoM成本,同时具备出色的计算能力和超低功耗,提供极佳的用户体验。
关键词:
安森美半导体
物联网
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