Zvuk je nedílnou součástí mnoha aplikací IoT, včetně spotřebních výrobků, jako jsou reproduktory a sluchátka, nositelné a zdravotnické prostředky (např. A na sluchadla), automatizační a průmyslové kontrolní aplikace, zábavní systémy a automobilové infotainmentové jednotky.
Zvuk IoT lze široce rozdělit do tří typů: streamování (tj. Hudba, hlas a data), rozpoznávání/příkazy hlasu a bezdrátové připojení Bluetooth a Wi-Fi (např. Streamování vícekanálového zvuku přes Wi-Fi na domácí zvukový systém). Navrhování vysoce kvalitních, nepřetržitých akustických zvukových subsystémů však může být náročné, když inženýři musí dodržovat přísná omezení potřebná pro zařízení založená na IoT.
Složitější návrhy jsou vyžadovány, aby zahrnovaly pokročilé funkce, jako je rozpoznávání hlasu, jako je například umožnění řidičům ovládat infotainmentový systém ve svém automobilu stejným způsobem jako mobilní telefon. Protože MCU je jádrem všech těchto zvukových systémů, je důležité vybrat MCU, který integruje potřebné zvukové technologie potřebné k návrhu spolehlivého zvukového systému bez šumu. Tento článek zkoumá zvukové technologie, které lze použít k navrhování takových systémů.
Komponenty zvukového subsystému
Zvuk IoT zahrnuje tři hlavní aktivity: Steam vysoce kvalitní hlasový/data, bezdrátová přenos a kontrola reorganizace hlasu. Obrázek 1 ukazuje nejdůležitější stavební bloky v zabudovaném systému.
Tento blokový diagram ukazuje důležitější stavební bloky subsystému zpracování zvuku
Všimněte si, že mnoho z těchto funkcí může být integrováno do moderních MCU, jako je Cypress CYW43907 s integrovaným Wi-Fi 802.11n použitým v tomto příkladu. Některé z důležitých zvukových technologií, které mohou být zahrnuty do systému založeného na IoT, zahrnují:
Hudební aplikace
Zvukové MCU umožňují inženýrům dekódovat streamy MP3/4 používané nejoblíbenějšími přehrávači médií a poskytovatelé obsahu. Mnoho návrhů musí také podporovat dekódování WMA a Apple AAC, což vyžaduje další výkon zpracování. V zvukových aplikacích spotřebitelů lze levné zvukové MCU často využívat správou proudů digitální hudby ze zvukových příslušenství, jako jsou sady digitálních reproduktorů.
V těchto aplikacích přichází rámec zvukových dat PCM (zapouzdřených ve formátu zvukové třídy USB) každý 1 ms prostřednictvím jednoho ze sériových kanálů SPI/I²C procesoru. V závislosti na zdroji může zvukový proud dorazit do jednoho z několika formátů (tj. Levicově zarovnané, pravé zarovnání, I2s atd.). Některé levné kodeky však mohou přijímat pouze určité formáty. V těchto případech hraje MCU důležitou roli při zajišťování toho, aby byla data správně zarovnána před jejich krmením kodekem.
Protože ne všechny zdroje zvuku používají stejnou rychlost vzorkování, musí kodek také přizpůsobit svou frekvenci vzorkování na zdroj nebo se spoléhat na MCU k převodu vzorkované datové toku na běžnou datovou rychlost (viz obrázek 2). V těchto případech musí MCU spravovat proud, aby se zabránilo podmínkám nedostatečného nebo přetížení, které mohou vést k ztlumení, pops a diskontinuitám zvuku, které mohou způsobit ztrátu dat a narušit zážitek z poslechu uživatele. Všimněte si, že zvukový MCU lze také použít k implementaci dalších funkcí zvukového subsystému, jako je kontrolu osvětlení během přehrávání zvuku.
Zvukové MCU bude možná muset provést konverzi formátu, nastavení vzorkovacích frekvencí a správu proudu a podporovat uživatelská rozhraní zvuku.
Pro implementaci zvuku v celé řadě aplikací musí zvukové MCU podporovat různé zvukové technologie. Obrázek 3 ukazuje příklady těchto zvukových technologií.
Zvuková technologie
Zvukové kodeky
Zvukové kodeky jsou hlavní součástí zvukového systému. Mnoho MCU vytvořených pro aplikace IoT podporuje funkčnost kodeku v hardwaru. To umožňuje, aby systém zmenšil velikost vzorků digitálního zvuku a urychlil bezdrátový přenos (úspora energie) a ušetřil úložný prostor (snížení napětí na vnitřní paměťové kapacitě). Kodek může podporovat různé zvukové standardní formáty, jako jsou AAC, AC -3 a ALAC. K tomu vyžaduje dekódovací přístupovou jednotku (AU), která je implementována před jakýmkoli zvukovým následkem (např. DSOLA, SOLA). Při použití se standardními zvukovými formáty, jako jsou AAC, AC -3 a ALAC, je zvuk kategorizován takovým způsobem, že následné vzorky zvuku jsou v předepsaném formátu uvedeném v datovém proudu zvukového paketu. Szestup paketů je také dokázán umožnit minimální křížový chvění a nepřetržitý provoz v přítomnosti přetížení. Velikost užitečného zatížení AU umožňuje provádění jakéhokoli utajení, které je třeba provést.
Zpracování základního pásma
Signál základního pásma je základní skupina frekvencí v analogovém nebo digitálním průběhu, který lze zpracovat elektronickými obvody. Signál základního pásma může sestávat z jedné frekvence nebo skupiny frekvencí nebo v digitální doméně proudu dat odeslaných přes nemultiplexovaný kanál. Základní pásmo je definováno jako základní pásmo (signál/druhý) smíchaný s nosným signálem za vzniku modulovaného signálu. V MCU podporujícím zvuk IoT zvukový kodek integruje zpracování základního pásma a RF na jednom čipu. Zvukový kodek lze implementovat v různých bezdrátových transceiverech za účelem poskytování hlasových dat a/nebo hudebních funkcí. Kodek také obsahuje mono a stereo kanály pro zvukový výstup a stereo vstupy.
Ztráta paketů a replikace dat
Nadměrná latence, ztráta paketů a chvění s vysokou latencí mohou narušit kvalitu komunikace. Pravděpodobnost náhlé ztráty paketů se zvyšuje se zatížením sítě a vede k přerušení, které uživatel slyší. Robustní přenos zvuku přes Wi-Fi lze vylepšit pokročilými funkcemi, jako je technologie skrytí ztráty Cypress. Zdroj/přijímač architektury systému je následující: Jeden zdroj zachycuje zvuk, multiplexuje data PCM prostřednictvím struktury proudu RTP a synchronizuje hodiny se všemi přijímači připojenými ke zdroji PLC.
Všimněte si, že výkon komunikačního spojení závisí na kvalitě výkonu rozpočtu odkazu. Tento rozpočet propojení je určen třemi faktory: přenášením výkonu, přenosu anténního zisku a přijímání zisku antény. Například spolehlivá komunikace v síti 802.11 je možná, pokud je napájení cesty propojení mínus ztráta dostupného prostoru větší než minimální přijatá úroveň signálu přijímajícího rádia (viz obrázek 4).
Výkon komunikačního spojení závisí na kvalitě výkonu rozpočtu odkazu
Vylepšení srozumitelnosti řeči (SIE)
Šum pozadí v zvukovém systému může snížit srozumitelnost řeči. Pokud šum překročí určitou úroveň, může být pro uživatele obtížné pochopit. Dostupnost kontinuálního rozpoznávání řeči v reálném čase na vestavěných zařízeních vyžaduje systém, který zvyšuje srozumitelnost řeči s postižením hlukem. Výběr MCU, který podporuje portování a optimalizaci běžně používaného systému velké slovní zásoby kontinuálního rozpoznávání řeči (LVCSR), může zjednodušit vývoj.
Detekce probuzení frází
Tato pokročilá funkce umožňuje uživatelům zapnout systém hands-free aktivací zařízení jejich hlasem.
Efektivní multicast pro jeden nebo více reproduktorů
Multicasting je metoda adresování sítě používaná k odesílání zpráv skupině cílů současně pomocí nejefektivnější strategie. Zprávy jsou doručovány pouze jednou prostřednictvím každého odkazu v síti a kopie se vytvářejí pouze tehdy, když se další odkaz rozdělí do více destinací, obvykle u síťových přepínačů a směrovačů. Avšak stejně jako protokol UDP (UDP), multicast nezaručuje doručení proudu zpráv, což může vést k vyřazení zpráv nebo neorganizované dodání zpráv. Spolehlivé multicast (RMC) poskytuje potvrzení pro vícesměrové pakety (pouze pakety), takže určité specifické vícesměrové pakety mohou být doručeny spolehlivě. Vysílač vybere přijímač s nejslabším RSSI, aby potvrdil rámec. V prostředí IoT znamená implementace RMC, že vysílač Wi-Fi si vybere jeden z mnoha přijímačů Wi-Fi, aby potvrdil recepci rámců. Vysílač vybere přijímač s nejslabším RSSI, aby potvrdil rámec. Implementace používá operační rámec obsahující proprietární informační prvky RMC k oznámení a povolení potvrzení. Implementace také obsahuje RMC-specifické příkazy Wi-Fi Driver pro nastavení vícesměrové adresy MAC a povolení a deaktivaci RMC.
Pro zvukové a video s pevným a symetrickým zpožděním přenosu jsou splněny požadavky na synchronizaci času; Například RMC se může spolehnout na vysoce přesné načasování a synchronizaci pro hladký přenos hlasových, videa a mobilních dat na buňky. Dosažení vysoce přesného a přesného načasování není z technického hlediska snadné, takže je důležité najít implementace, které lze ověřit tak, aby splňovaly požadavky na aplikaci.
Formáty rámování, korekce chyb vpřed a replikace paketů
Pro zvukové streamování je důležité, aby byly hodiny synchronizovány se všemi přijímači Wi-Fi. Jedním přístupem je používání běžných hodin pro zdrojová i přijímací zařízení, často nazývaná hodiny nástěnné nebo systémové hodiny (STC). Nejprve každý přijímač (přijímač) synchronizuje svou STC (Wall Clock) s STC zdrojového/vysílače (hlavní stěny). Každý přijímač nyní může obnovit hodiny vysílače, protože časové razítko vložené zdrojem (dostupným v rozšířené záhlaví každého paketu RTP) odráží vzorkovaný okamžik média vzhledem k běžným hodinám.
STC je založena na hodnotách hodin GrandMaster uvedených ve specifikaci 802.1AS. Protože všechna zařízení přijímače si jsou vědoma korelace mezi STC a mediálními hodinami zdrojového zařízení (jak se týká časového razítka RTP nebo média), může každý přijímač rekonstruovat kopii RTP mediálních hodin zdrojového zařízení a frontu odpovídajícím způsobem pro správné vykreslení. Transparentní taktování je místo, kde mohou hardware/ucode pakety časových razítka přijmout a přenášet co nejblíže k rozhraní Mac/PHY. I když tato hodnota hodin se nepoužívá pro přehrávání, lze ji použít k měření chvění v celém systému a provedení úplné analýzy výkonu.
Příklad inteligentního zvukového systému
Chcete -li porozumět zvuku IoT v kontextu, zvažte příklad inteligentního domu a roli zvuku může hrát při zlepšování celkové funkce inteligentního domácího systému. Domov se stává chytrým domovem, když zařízení a spotřebiče v něm mohou komunikovat mezi sebou a s lidmi, kteří tam žijí. Zvýšením naší vzájemné propojení inteligentní domy zlepšují naši kvalitu života a zvyšují naši bezpečnost.
Jedním z hlavních případů použití zvuku v inteligentním domě je skladování a sdílení zvuku přes Wi-Fi nebo Bluetooth. Výběr Wi-Fi over BLE se liší podle aplikace a závisí na požadavcích na kvalitu rozsahu a zvuku. Například domácí ovladač může hrát konkrétní zvuk v každé místnosti domu, pokud někdo zazvoní zvonek u dveří, spíše než jen zapojit zvonek v jedné části domu. Podobně může ovladač omezit zvuk na konkrétní místnosti, jako je ne v školce pro děti. Vestavěné řadiče pomáhají zpracovat tento zvuk a učinit systém chytřejším správou různých funkcí řízení výstupu.
Přehrávání zvukových systémů
Zvukové systémy přehrávání se staly důležitou aplikací na audio trhu. Systémy bezdrátových zvukových přehrávání jsou jádrem inteligentního domu, sdružují mnoho různých inteligentních zařízení doma a jménem uživatele přijímají inteligentní rozhodnutí. Například zvukový systém může ovládat vzorce osvětlení v domě založeném na hudbě, která v současné době hraje. Může také použít konverzi textu na řeč ke čtení oznámení uživatele nebo e-maily nahlas. Uživatelé mají také možnost vytvářet zóny ve zvukovém systému s více místnostmi pomocí síťových zvukových zařízení, jako jsou bezdrátové reproduktory v různých místnostech domu. Tento přístup vytváří celý ekosystém, aby zajistil, že dům bude vždy fungovat s efektivitou špičky a zároveň minimalizuje interakce s lidmi, kteří tam žijí. K vytvoření takového ekosystému musí návrháři IoT vybrat vestavěný mikrokontrolér se správným výkonem a zvukovými funkcemi, které byly optimalizovány pro aplikace IoT.
Účinky zpracování digitálního signálu
Zpracování zvukového signálu v digitální doméně je důležitou součástí jakéhokoli zvukového systému před přenosem zvukových dat na bezdrátovém spojení. Toto zpracování obvykle zahrnuje měření, filtrování a/nebo komprimování zvukového analogového signálu. Vestavěné MCU s integrovanými funkčnostmi DSP umožňuje efekty, jako je přidání digitálního mixéru a podpora funkcí dálkového ovládání. S ekvalizérem pásma 5- pro každý kanál může být přehrávání zvuku chytře integrováno do většiny aplikací sekvenceru a vytvoření výkonného studiového systému.