智能音箱的耳朵 – TI ADC 的应用设计概览

大家好！我是今天为大家讲解 TI ADC 部分的应用工程师 我叫Gary 那我今天的topic就是智能音箱的“金耳朵” 顾名思义的话 就是 “金耳朵” 在一个系统里做一个 听的 这样一个功能 那我们今天就讲解一下 智能音箱我们是如何得到一个 高精度的语音拾取功能 大家可以看一下 在这样的一个框图里面 是我们TI 为智能音箱的一个 整体的参考设计 那ADC 的话 主要是在这个框图的左下角 大家可以看一下 这框图里面 ADC 主要有2个功能 第一个功能是在麦克风输入端 做ADC的一个转换 这大家容易理解 第二个部分是可以用于 做扬声器输出端之后 一般是用于做回音消除 传统的设计 我们会在 扬声器输出端 用一颗ADC 进行专门的回音消除 这样的一个功能 好 今天开始进行正式的主题 这样的一个议程 今天的议程包括以下几点 第一点 我会讲解麦克风的种类 第二点 我会分析一下 目前市面上比较流行的 像PDM和模拟麦克风的优缺点 第三点 也会介绍ADC 在设计过程当中的指标考量 第四点 我们会分析一下 目前市面上流行的 智能音箱的案例分析 第五点 我们会看一下TI的ADC选型 以及TI的参考设计 我们来看一下 这张图是目前市面上比较流行的麦克风 第一个是模拟输出麦克风 简单来说就是 内部会集成一个升压转换器 以及一个运放 进行输出的就是一个模拟信号 第二个就是PDM输出的 这样的一个声音信号 它一般是有外宽调制 输出的信号为外宽调制的 语音信号 第三块就是I2S输出的信号 第四点是TDM的 TDM的好处就在于 它可以从一根总线上 并联高达16路麦克风 这样的话可以简化 简化客户在产品设计当中需要考虑的一些问题 第五点 可能是目前市面上比较少的 就是在麦克风里面 一般会集成一个 语音唤醒的这样一个功能 就是说在没有进行 没有语音输入 或者是没有唤醒词介入的时候 我们系统会进入一个待机 这样的话可以节省系统的功耗 一旦这样麦克风采集到 特定的唤醒词之后 它会给一个中断给主系统 进行一个唤醒 从而达到节省功耗这样一个目的 由于市面上比较流行的 是像模拟麦克风 PDM 这样的一个麦克风 那我们进行麦克风的一个分析 我们可以看一下 在语言场识别过程当中 PDM输出的麦克风和 模拟输出麦克风的 这样的一个优缺点 大家从左边这张图可以看到 PDM输出的麦克风的话 它一般集成度比较高 它除了集成麦克风之外 它会集成ADC 1-bit 的ADC 同时也会集成 PGA 就是自动增益控制 这样的一个器件 因此 它留给我们麦克风 这样一个[]的面积 或者是空间比较小 因此 它的信噪比 很难做到很高的一个程度 目前最流行的是 目前市面上可能做的最好的话 信噪比大概在65.5dB左右 同时由于它只集成一个1-bit的ADC 因此 它的升压过载 范围是比较有限的 因此 它在一些 例如进行语音 进行混音消除过程当中 会带来一些比较大的失真 这样的话 可能会对唤醒过程当中 会带来一系列问题 在模拟麦克风当中 我们可以看到 其实模拟麦克风 它的结构相对简单 因此它可以做到比较高的信噪比 大家知道 其实6个dB 这个信噪比的话 对于语音拾取的范围 其实就增加了一倍 其实 这样的话 对包括远场 或者近场 或者是声音比较大 比较嘈杂 这样的一个环境当中 都有一个比较好的识别度 同时的话 由于它不集成ADC 因此客户在进行 系统整体设计的过程当中 它可以考虑到目前的系统设计 它可以搭配一个 高性能 或者是一般性能这样的一个ADC 从而达到它的产品设计 这也是我们TI目前比较推荐的 我们在这样一个设计过程当中 有哪几个指标需要我们着重去考虑呢 首先 第一点是灵敏度 第二个是信噪比 相比大家对这两个名词有非常多的了解 其实在这里 我还需要强调2点 就是 另外一块是 电压过载点 大家其实可以看到 左边这张图 升压过载点 顾名思义就是说 当麦克风进行采集过程当中 由于声音过大 它会导致输出的信号失真 失真 我们会有一个衡量的标准 比如说 输出的信号 失真达到10% 那这个时候 我们定义为升压过载点 一般是说 失真度达到10% 后面系统进行 包括采样 包括混音消除 都会带来一系列问题 所以这个指标也衡量是说 麦克风能够采样最大的声音幅度 同时 还有一点就是 等效输入噪声点 这个是什么意思呢 简单来讲就是说 麦克风进行远场识别过程中 由于声音和噪声基本上处于同一个量级 那这个时候 可能我的扬声器 或者可能智能音箱 识别不到人的声音的一个点 我们叫等效输入噪声点 这个也是衡量麦克风系统 也就是说 ADC这个系统 在进行采样过程当中 能够采样的最小的信号 我们看一下 在智能音箱的设计当中 其实 我们客户到底是需要什么东西呢 想当然 就是在智能音箱里面 比如说 我的智能音箱可能放在家里 它会有一些环境的噪声 也会有外面的一些播放歌曲 可能它在播放一些声音信号 那这个时候 人对它进行的命令 这个时候 它如何能够响应我 这个时候 对于智能音箱 我们需要几个条件 第一 必须要有一个很宽的动态范围 例如 在远场的时候 声音很小 它这个时候 也能识别到你的声音 其次 本身智能音箱在播放音乐的时候 因为 麦克风离喇叭很近 因此 它采集到的声音是很大的 所以 这个时候我们就要求是说 不管是ADC 还是麦克风 需要有一个很高的升压过载点 同时 在一些远场 例如说 我刚刚讲到就是 在远场 的语音拾取方面 环境 基本上说话传到麦克风 或者传到 你听的音箱 这样的一个声音信号的幅度 基本上能够跟噪声在同一个量级的时候 这个时候 如何去提取你的声音信号 这个时候就需要对你的系统有一个很高的要求 比如说 需要有一个很高的等效噪声范围 其次 在智能音箱里面 大家其实可以看到 目前市面上有传统的 像插电式 就是放在家里 一直接上 上电那种智能音箱 逐渐演变为今天可能 需要电池供电 需要便携式供电设备里面 其实我们对它的功耗 可便携性 也带来一个很高的要求 我们再分析一下 亚马逊的Echo 这样的一个设计 其实大家知道 Echo应该是市面上比较成功的一款产品 在这款产品当中的话 我们看到 麦克风 就是Echo 用了 7 个麦克风 它是做了外围6个麦克风环形正电 中间做了一个麦克风作为混音消除 那这个时候对于ADC的要求 就是说 第一 要有很高的信噪比 能够在不同的环境当中 能够提取出有用信号 因此 你的ADC必须要有一个很高的信噪比 其次 在一些远场识别方面 由于你的声音大小是很小的 因此 需要内部的ADC进行增益的自动调节 因此 这个时候就对增益提出一些要求 ADC能够对麦克风进行一个比较好的优化 其次就是 在这么多麦克风里面 由于ARM 或者 DSP 它的总线是有限的 因此 它对接口也提出了比较高的一个要求 这个时候 我们会应用到TDM这样的一个模式 将采集到的声音信号 送到DSP或者ARM里面 进行不管是混音消除 还是降噪处理 还是做低音forming这样的一个技术 因此我们的3101 在这个地方都是有非常好的一个选择 我们再详细看一下 3101这样的一个指标 首先 第一点 3101里面集成有2路ADC 因此 包括它的外围 器件都非常简单 同时 它的信噪比可以高达92dB 采样率也可以是8-96kHz这样一个范围 所以非常方便客户进行设计 同时内部集成有PLL 锁相环 这样的一个功能 因此 它可以 不需要 简化系统的时钟线 比如说 PLL可能不需要 M Clock 信号进来 大家知道M Clock信号一般是比较高的 这样的话 可以方便系统进行简化设计 其次 内部集成 3101内部集成有 PGA 集成有自动综艺控制 这样的话 对于远场和近场 这样的一个语音拾取 都有一个非常好的优化 同时 由于3101里面有非常高的信噪比 因此它能够 不管是在安静的环境当中 还是比较嘈杂的环境当中 都能够去正确地提取有用信号 或者是你说话声音很小 它只需要满足一定条件 它可以将你这样的一个信号 提取出来 同时的话 它还集成有相位对其这样的一个功能 方便是说 我的信号采集之后 送入到MTK 或者是这样的一个系统里面 有一个非常好的系统设计 同时 它的package 我们3101目前 package 的话是 4mmx4mm 所以 也是目前封装比较小的 方便客户进行便携式产品的设计 后面 我再讲解一下 TI的ADC 的产品 详细去讲一下Ti有哪些ADC 3101 我刚刚已经讲解过了 其实3101 里面内部还寄存迷你DSP 迷你DSP内部会给客户开放一些 包括 EQ 包括DRC 方面的一些设计 这也方便客户进行一些 比如说 他可能需要进行一些 EQ 的滤波等等 这些设计 3101都可以满足 另外 我这里还要讲ADC3100 其实 ADC3100 它是相比ADC3101 做了一个简化 怎么讲呢？ 其实我们发现在智能音箱 这样的一个应用场景当中 其实客户只需要对外部的声音信号 进行采集 然后内部可能做一些 转换 及包括AGC 和 PGA 这样的功能 可能应用到DSP 就是应用到EQ 这个功能比较少 所以3100相比于3101的话 是一个简化版的设计 因此 成本会更有优势 所以 大家在这块可以看一下 我们3100的产品手册 除此之外的话 其实我们TI还有一些 例如说 我刚刚提到3100 它是支持差分输入的一个ADC 在另外一个系列产品里面 我们有PCM1808和PCM1807 这样的一个产品 它其实内部的话 整个就相对简单 这样的话 对系统设计而言 更加优化你的成本 同时 它的信噪比可以达到99dB 它的采样范围可以从16-96kHz 输出是I2S模式 同时 它支持硬件和软件模式 这样 在某些系统场合 客户只需要画好一张原理图 就可以正常工作 我们在提到 在讲解ADC 之后 我们再看一下 我们ADC产品线另外一个产品系列 就是PCM186x 系列 其实PCM186x系列 它下面有1860, 1861 一直到1865 它主要是分为两块 一块是硬件控制 另外一块是软件控制 像PCM1864 内部只集成有4路ADC 其实 我们可以看到 现在市面上很多音箱做到 都是4个麦 或者8个麦 这样的一个设计 如果你用3101的话 当然也可以 只是说 你可能需要用到 需要用到4颗3101 那如果说你用我们集成有4路ADC 的话 那可以简化你的系统成本 和PCB的面积 同时 我们内部会有一些 包括一些 我们这边叫energy sense 就是说 在没有外界声音信号进来的时候 我们可以进入低功耗的模式 更加优化系统的功耗 这样的一个产品 下面我会讲解这个部分的参考设计 除此之外 大家可能注意到 就是我刚刚提到了 信噪比 我们可能包括3101 3101 是92dB PCM1808是99dB 其实 我们TI还有更高信噪比的方案 例如说 我现在给大家看到的是 PCM4220 它的信噪比可以达到123dB 这个应该是业界目前最高的信噪比 同时 它的采样率也可以是8-216kHz 它也支持硬件模式 所以 方便大家对一些更高的 需求比较高的智能音箱 其实TI也会有一些 很好的一个产品供你们去选择 除此之外 还有PCM4202和 PCM4204 它与前面我讲到的比较类似 就是PCM4202 内部支持2个ADC 因此 它可以外挂2路麦克 那PCM4204 内部集成4个ADC 外部可以支持 放4个麦克风 这样一个产品的话 不仅仅可以应用在智能音箱里面 还包括 大家可以应用在一些 像语音输入 这样一个应用场景 包括专业的音响 或者是专业的设备里面 都可以应用到这些产品 都是比较好的选择 这个地方 我想跟大家再讲一下 基于 PMC1864的一个 环形正电的麦克风参考设计 这个也可以在我们的TI官网里面搜到 响应的 包括产品设计 包括PCB的layout 包括测试报告 大家可以在TI里面搜索 TIDA-01454 即可下载相应的文档 大家可以看到这个参考设计 非常简单 比较类似于 像亚马逊智能音箱设计 一个环形的麦克风 中间再加一个麦克风收集 在这样的一个设计里面 它主要是应用了我们两颗 PCM1864 因为我们知道PCM1864 内部是集成有4路ADC 因此在智能音箱设计里面 我们可以一颗PCM1864 带4个麦克 因此非常灵活 去进行这样的一个选型 同时 我们这个地方还有 像另外一个参考设计 是 我们这边叫线性麦克风阵列 大家可以搜索 TI参考设计 在TI官网里面搜索TIDA-01470 这样得到一系列的参考设计 和相应的测试报告 这里 我就不做过多的讲解 我还有一点需要讲的就是 其实大家看到的这些 包括应用设计 和参考设计 以及常用选型 都可以在我们的TI官网里面搜索到 相应的资料 大家其实在TI.com里面 搜索智能扬声器 大家可以看到 这样的一个网页 左边就是整个智能音箱的一个框图 右边的话 会有一些包括参考设计 和相应的产品推荐 所以我们希望 透过产品设计里面 能够更多的上一下TI.com 去搜索一下相应的产品设计 希望TI.com能够帮助大家 谢谢！