實現極低功耗藍牙的語音遙控器設計方案詳細說明

實現極低功耗藍牙的語音遙控器設計方案詳細說明

電子工程世界 發表於 2020-11-28 11:53:43

　　虛擬助理被集成到家中更多的設備中，亞馬遜 近宣布，它將為Alexa推出包括耳塞、眼鏡和戒指在內的多種新型設備，為消費者提供更多獲取信息的途徑。在這些新的語音產品中反覆出現的主題是無線和免提的，可輕鬆地連接到手機或其他主機上，並聆聽指令。其內部技術是一個支持無線連接的藍牙射頻晶片組和運行喚醒字引擎（WWE）的專用嵌入式處理器來識別語音命令。

　　這種趨勢的另一個例子是，每一臺新的平板電視、機頂盒和媒體播放器都配備了遙控器，他們也將很快完全無線和免提。當然，當你想要語音控制的時候，很多人仍然會使用舊的紅外視線遙控模式或者按鍵對話，但這些都很快就過時了。用戶需要一個能無縫響應命令的設備，而不是像對講機那樣必須按住通話鍵的設備。與 近亞馬遜的電子產品浪潮類似，下一代電視遙控器將是無線和免提的。

　　然而，遙控設計也帶來了一些獨特的挑戰。例如，遙控器通常不可充電；它們通常使用標準的AA電池。遙控器不僅需要在嘈雜的環境中表現良好，而且需要在距離你身體3到9英尺的地方，還可以將信息以無線方式即時傳輸到主機設備上（如電視）。

　　此外，消費者更喜歡使用不需要頻換更換的耐用電池，從本質上講，遙控器的性能必須像亞馬遜Echo Dot一樣，但同時功耗還要比入耳式耳機更少。

　　設計功能強大、高效節能的遙控器是一個挑戰，需要創新的藍牙解決方案和音頻處理解決方案，因為其中每一個改進都會延長電池壽命。

　　使用藍牙5.0/LE解決了傳統紅外的幾個問題。首先，藍牙是一個符合標準的解決方案，因此設備很容易與現有的藍牙設備進行通信。此外，藍牙5.0/LE提供了與WiFi設備相當的傳輸範圍，這非常適合語音遙控器。傳統的藍牙解決方案已經針對手機和筆記本電腦進行了優化，這些手機和筆記本電腦的電池容量更大，而且藍牙的功耗也沒有那麼大。

　　Atmosic公司的創新解決方案，可以顯著降低5倍功耗，與競爭解決方案相比，電池壽命可延長3至5倍。

　　除了極低功耗的藍牙設計外，還可以使用一個二次喚醒接收器，該接收器功耗可以更低（比標準接收器低20到50倍），使整個藍牙SoC進入深度睡眠狀態；該設備可以通過另一臺主機的特殊模式喚醒。我們不會在這裡詳細介紹這項技術，因為它只適用於少量的專用遙控器。

　　第三種低功耗技術是利用能量收集來獲取射頻無線能量以延長電池壽命。許多家庭和建築物都有大量的射頻能量（通常在ISM波段），當遙控器放在桌子上時，可以採集這些能量。根據能量水平，一個裝置可以獲得幾十微瓦的能量。 終目標是在可能的情況下替代電池電源，將電池的壽命延長到幾年，而目前遙控器的壽命只有6到9個月。對於工業和特殊用途的遙控器，還可以使用其他能源技術，如太陽能、熱能和運動能量收集。

　　如前所述，要實現真正的免提操作，遙控器必須同時像智能揚聲器一樣工作，但也要像入耳式耳機一樣節能。像QuickLogic這樣的公司已經開發出高度優化、超低功耗的配套器件來配合藍牙晶片組來應對這一挑戰。

　　藍牙連接的語音遙控器基本上有三種模式：待機模式、喚醒詞檢測模式和數據傳輸模式，功耗也是逐步增加。

　　在待機狀態下，藍牙和伴生晶片處於休眠狀態，等待周圍環境中的一些喚醒詞。實現這一點 節能的方法之一是使用Vesper的麥克風喚醒聲音功能，該功能僅消耗10？A，等待環境聲超過預先配置的閾值。在一個典型的起居室用例中，系統在80%的時間內處於這種模式。

　　一旦達到閾值水平，就會從麥克風觸發一個中斷，並喚醒伴隨晶片；此時進入喚醒字檢測模式。伴隨晶片的MCU可以啟動並運行WWE一段時間，以檢測關鍵字是否被說出。第三方解決方案（如Retune DSP的VoiceSpot WWE）可以在Cortex-M4上運行，只需使用一個麥克風，無需使用多麥克風自適應波束形成的計算密集型解決方案，而多麥克風自適應波束形成通常是中場（3到9英尺）語音識別所需的。

　　除了明顯的節省處理器資源外，從系統中減少每一個麥克風還可節省400至650？A（有功功率）。如果檢測到喚醒字，它會中斷並喚醒藍牙晶片進入數據傳輸模式。這是必要的，因為在喚醒字之後的用戶字需要以脈衝編碼調製（PCM）或壓縮數據的形式傳送到主機（如電視）。

　　如果沒有檢測到喚醒字，系統將恢復到初始待機模式。一些配套晶片，如QuickLogic的晶片，有專用的低功耗聲音檢測（LPSD）硬體，以降低喚醒字檢測模式中使用的平均系統功率。例如，有些風扇聲音有一個高分貝聲壓，但顯然不是講話。LPSD硬體有足夠的智能來感知這一點，並忽略聲音，以避免不必要地運行WWE額外功耗。

　　藍牙5.0/LE非常適合數據傳輸模式，因為它可以在低功耗的按需數據包中傳輸數據。一個理想的伴侶應該有足夠的存儲空間和處理能力，以便在將語音數據發送到藍牙設備之前對其進行壓縮，一個典型的例子是運行Opus音頻編碼器。

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