为物联网应用设计高质量的声学音频

音频是许多物联网应用不可或缺的一部分，包括扬声器和耳机等消费品、助听器等可穿戴设备和医疗设备、自动化和工业控制应用、娱乐系统和汽车信息娱乐单元等。

物联网音频大致可分为三类：流媒体（即音乐、语音和数据）、语音识别/命令以及通过蓝牙和 Wi-Fi 连接的无线（例如，通过 Wi-Fi 将多声道音频流式传输到家庭环绕声系统）。然而，当工程师必须遵守基于物联网的设备所需的严格约束时，设计高质量、不间断的声学音频子系统可能是一项挑战。

更复杂的设计是需要包括语音识别等高级功能，例如，允许驾驶员以与手机相同的免提轻松方式控制汽车中的信息娱乐系统。由于MCU是所有这些音频系统的核心，因此选择集成了设计可靠无噪声音频系统所需的必要音频技术的MCU非常重要。本文探讨了可用于设计此类系统的音频技术。

音频子系统的组件

物联网音频涉及三项主要活动：高质量语音/数据、无线传输和语音组合控制。图 1 显示了嵌入式系统中最重要的构建块。

［图1 |此框图显示了音频处理子系统中更重要的构建块。

请注意，其中许多功能可以集成到现代MCU中，例如本例中使用的集成Wi-Fi 802.11n的赛普拉斯CYW43907。基于物联网的系统可能包括的一些重要音频技术是：

音乐应用

支持音频的MCU允许工程师解码大多数流行媒体播放器和内容提供商使用的MP3 / 4流。许多设计还需要支持WMA和Apple的AAC解码，这需要更多的处理能力。在消费类音频应用中通常可以使用低成本音频MCU，通常是通过管理音频配件（如数字扬声器组）中的数字音乐流。

在这些应用中，一帧 PCM 音频数据（封装在 USB 音频类格式中）每 1 ms 通过处理器的 SPI/I²C 串行通道之一到达一次。根据源的不同，音频流可能以多种格式之一到达（即左对齐、右对齐、I2S 等）但是，某些低成本编解码器只能接受特定格式。在这些情况下，MCU在确保数据在馈送到编解码器之前正确对齐方面发挥着重要作用。

由于并非所有音频源都使用相同的采样率，因此编解码器还必须根据源调整其采样频率，或者依靠MCU将采样数据流转换为通用数据速率（见图2）。在这些情况下，MCU 必须管理流，以避免低于或超限的情况，否则会导致静音、爆音和音频不连续，这些情况会随着数据丢失而发生，并破坏用户的收听体验。请注意，音频MCU还可用于实现音频子系统的其他功能，例如在音频播放期间控制照明。

［图2 |音频MCU可能需要执行格式转换、采样率调整和流管理，并支持音频用户界面。

为了在广泛的应用中启用音频，音频MCU需要支持各种音频技术。

音频编解码器（enCOder/DECoder）

音频编解码器是音频系统的主要前端组件。许多专为物联网应用而设计的MCU都支持硬件中的编解码器功能。这使得系统能够减小数字音频样本的大小，以加快无线传输速度（节省功耗）并节省存储空间（减少内部存储器容量的压力）。编解码器可能支持各种音频标准格式，例如 AAC、AC-3 和 ALAC。为此，它将需要一个解码访问单元（AU），该单元在任何音频后处理（例如DSOLA，SOLA）之前实现。当与 AAC、AC-3 和 ALAC 等标准音频格式一起使用时，音频的分类方式是，后续音频样本在音频数据包数据流中指定的规定格式内。数据包间隔也经过管理，以允许最小的交叉抖动和在存在拥塞的情况下不间断的操作。AU 有效载荷大小允许需要执行的任何隐藏。

基带处理

基带信号是模拟或数字波形中可由电子电路处理的基本频率组。基带信号可以由单个频率或一组频率组成，或者在数字域中，可以由通过非多路复用通道发送的数据流组成。基带定义为基带（信号）与载波信号的混合，以产生调制信号。请注意，在支持物联网音频的MCU中，音频编解码器与基带处理和RF集成在单个芯片上。音频编解码器可以在各种无线收发器中实现，以提供语音数据和/或音乐功能。该编解码器还具有用于音频输出的单声道和立体声通道，以及立体声输入。

丢包隐藏和数据复制

过快的延迟、数据包丢失和高延迟抖动都会损害通信质量。突发数据包丢失的可能性随着网络加载而增加，并导致用户可以听到的中断。通过 Wi-Fi 的强大音频传输可以通过赛普拉斯的数据包丢失隐藏技术等高级功能得到增强。系统架构源/接收器如下：一个源捕获音频，通过RTP流结构复用PCM数据，并将时钟与连接到PLC源的所有接收器同步。

请注意，通信链路的性能取决于链路预算性能的质量。该链路预算由三个因素决定：发射功率、发射天线增益和接收天线增益。例如，如果链路路径的功率减去可用空间损失大于接收无线电的最小接收信号电平，则可以通过802.11网络进行可靠的通信。

语音清晰度增强 （SIE）

音频系统中的背景噪音会降低语音的清晰度。如果噪音超出一定水平，则语音可能会变得难以理解。嵌入式设备上实时连续语音识别的可用性要求系统能够增强噪声损坏语音的清晰度。选择支持移植和优化常用大词汇连续语音识别（LVCSR）系统的MCU可以简化开发。

唤醒短语检测 （WUPD）

此高级功能使用户能够通过语音激活设备，以免提方式打开系统。

对一个或多个扬声器进行高效多播

组播是一种网络寻址方法，用于使用最有效的策略同时向一组目标传递信息。消息仅通过网络的每个链路传递一次，仅当下一个链路拆分到多个目标（通常在网络交换机和路由器上）时才创建副本。但是，与用户数据报协议 （UDP） 一样，多播不保证消息流的传递，从而导致丢弃消息或消息传递顺序不正确。可靠组播 （RMC） 为组播数据包（仅限数据包）提供确认，以便可以可靠地传送某些特定的组播数据包。发射器选择RSSI最弱的接收器来确认帧。在物联网环境中，实现 RMC 意味着 Wi-Fi 发射器从众多 Wi-Fi 接收器中选择一个来确认帧接收。发射器选择RSSI最弱的接收器来确认帧。该实现使用包含专有 RMC 信息元素的操作框架来通知和启用确认。该实现还包含特定于 RMC 的 Wi-Fi 驱动程序命令，用于设置组播 MAC 地址以及启用和禁用 RMC。

对于传输延迟固定且对称的音频和视频，满足时间同步要求;例如，RMC 可以依靠高度精确的定时和同步来实现语音、视频和移动数据的平稳小区间传输。从技术角度来看，实现高度准确和精确的时序并非易事，因此找到一种可以验证是否满足应用要求的实现非常重要。

成帧格式、前向纠错和数据包复制

对于音频流，时钟与所有 Wi-Fi 接收器同步至关重要。一种方法是对源和接收器设备使用通用时钟，通常称为挂钟或系统时钟 （STC）。首先，每个接收器（接收器）将其STC（挂钟）与源/发射器的STC（主挂钟）同步。每个接收器现在可以恢复发射器的时钟，因为源插入的时间戳（在每个 RTP 数据包的扩展标头中可用）反映了媒体相对于公共时钟的采样时刻。

STC 基于 802.1AS 规范中概述的 Grandmaster 时钟值。由于所有接收器设备都知道 STC 与源设备的媒体时钟（与 RTP 或媒体时间戳相关）之间的相关性，因此每个接收器都可以重建源设备的 RTP 媒体时钟的副本，并适当地排队其输出以正确呈现。透明时钟是硬件/ucode 可以对接收和传输数据包的时间戳尽可能靠近 MAC/PHY 接口的时钟。虽然此时钟值不用于播放，但它可用于测量整个系统的抖动并进行彻底的性能分析。

智能家居音响系统示例

要在上下文中理解物联网音频，请考虑智能家居的示例以及音频在提高智能家居系统整体功能方面可以发挥的作用。当家中的设备和电器可以相互通信以及居住在那里的人们时，家庭就变成了智能家居。通过增加我们的互联性，智能家居正在改善我们的生活质量，并提高我们的安全性。

智能家居中音频的主要用例之一是通过Wi-Fi或蓝牙存储和共享音频。通过BLE选择的Wi-Fi因应用程序而异，取决于范围和音频质量要求。例如，如果门口有人按门铃，而不是只在家里的一个地方鸣叫，家庭控制器可以在房子的每个房间播放特定的声音。同样，控制器可以将声音限制在特定房间，例如不在婴儿的托儿所。嵌入式控制器有助于处理此音频，并通过管理各种输出控制功能使系统更加智能。

重播音频系统

重播音频系统已成为音频市场的重要应用。无线音频转播系统是智能家居的核心，将家庭中的许多不同的智能设备汇集在一起，并代表用户做出明智的决策。例如，音频系统可以根据当前播放的音乐控制房屋中的照明模式。它还可以使用文本到语音识别来大声朗读用户通知或电子邮件。用户还可以选择使用可联网的音频设备（例如合并在房屋不同房间中的无线扬声器）在多房间音频系统中创建区域。这种方法创建了一个完整的生态系统，以确保房屋始终以最高效率运行，同时最大限度地减少与居住在那里的人们的互动。为了创建这样的生态系统，物联网设计人员需要选择具有适当性能和基于音频的功能的嵌入式微控制器，这些功能已针对物联网应用进行了优化。

数字信号处理效果

在音频数据通过无线链路传输之前，数字域中的音频信号处理是任何音频系统的重要组成部分。这种处理通常涉及测量、滤波和/或压缩音频模拟信号。集成了DSP功能的嵌入式MCU可实现添加数字混音器和支持远程控制功能等效果。每个通道上都有一个 5 频段均衡器，音频播放可以与大多数音序器应用程序巧妙集成，形成一个强大的录音室系统。

实时音频流

Spotify和Pandora等音乐流媒体服务允许用户选择他们想要播放的歌曲。这些服务的理想使用使用户能够在家中流式传输音频，并支持一些智能语音命令，例如选择要添加到播放列表的歌曲。它们还可以使用智能家居音频系统将实时互联网流式传输到家庭的不同房间。

音频是许多物联网系统的重要功能，需要高质量的音频来支持许多高级功能，例如流质量音频、语音识别/命令以及使用智能家居音频系统通过无线链路（蓝牙和 Wi-Fi）进行音频传输。借助合适的MCU和集成技术，可以设计出可靠、无噪声且经济高效的物联网音频系统。

审核编辑：郭婷