毋庸置疑，語(yǔ)音控制揚聲器（常稱(chēng)為智能音箱）是一種熱門(mén)的消費類(lèi)產(chǎn)品。

根據市場(chǎng)調研公司eMarketer 的數據顯示，2017 年，3,560 萬(wàn)美國消費者每個(gè)月至少使用一次聲控設備，并且該數字以近 50% 的復合年均增長(cháng)率增長(cháng)。

未來(lái)的市場(chǎng)預測也比較樂(lè )觀(guān)。Juniper Research 預測，到 2022 年，大多數美國家庭中都將安裝Amazon Echo、Google Home、Apple HomePod 和Sonos One 等智能設備。他們還預測，將會(huì )有7,000萬(wàn)家庭在家中安裝至少其中一種智能音箱，設備安裝總量將超過(guò) 1.75 億臺。對于一個(gè)在 2014 年 11 月之前還不存在的產(chǎn)品類(lèi)別來(lái)說(shuō)，這尤其令人印象深刻。

但相比于與互聯(lián)網(wǎng)接口結合使用的麥克風(fēng)和揚聲器， 這些外形看似簡(jiǎn)單的設備往往更復雜。智能音箱包含許多電子功能，這些功能均通過(guò)采用數十種復雜的集成電路(IC) 來(lái)實(shí)現。原始設備制造商 (OEM) 憑借差異化產(chǎn)品進(jìn)入智能揚聲器市場(chǎng)，他們必須決定要提供哪些設備、如何進(jìn)行提供以及此類(lèi)小型低功耗設備中可采用的折衷方案。

智能音箱的實(shí)際作用有哪些？如何在家庭中使用智能音箱？簡(jiǎn)而言之，智能音箱首先通過(guò)捕獲終端用戶(hù)的語(yǔ)音指令并將其數字，再將結果傳輸給基于網(wǎng)絡(luò )連接的云服務(wù)進(jìn)行解讀，然后通過(guò)操作指令或響應結果對終端用戶(hù)做出響應。智能音箱也可以從具備網(wǎng)絡(luò )或Bluetooth® 連接設備搜索并播放音頻內容。如圖 1 所示，現在許多智能音箱都可以與家中的其他設備交 互，如燈、門(mén)鎖和溫度控制系統等。

OEM 廠(chǎng)商不單單只是希望他們的產(chǎn)品在這一過(guò)程中能夠脫穎而出；更多的是，它們希望以此獲取房間，甚或是整個(gè)住宅的信息訪(fǎng)問(wèn)和傳輸的控制權，從而成為唯一的數字化媒體和家庭自動(dòng)化集線(xiàn)器。

圖1. 作為一種媒體播放器，智能音箱必須設計簡(jiǎn)單、外形優(yōu)雅，且能提供良好的音質(zhì)。作為一種智能家居集線(xiàn)器，它們必須為家庭中的整套智能設備提供準確的語(yǔ)音識別和連接。

除此之外，我們還有許多設計問(wèn)題需要解決，如麥克風(fēng)、音頻輸出和揚聲器、電源管理、用戶(hù)界面以及無(wú)線(xiàn)連接應采用何種數量和類(lèi)型。對于 OEM 廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)， 首要問(wèn)題便是是否使用“黑盒”芯片組，其中包括用于音頻解碼和信號處理的片上系統(SoC)、集成 Wi-Fi®和藍牙無(wú)線(xiàn)電的微控制器(MCU)。有的時(shí)候，這還包括自定義電源管理IC (PMIC)。然而，這種“罐裝”式解決方案不能為產(chǎn)品差異化提供太多設計空間�，F在就讓我們一起來(lái)看看智能音箱系統中的設計領(lǐng)域和挑戰。

圖 2.TI 智能音箱系統方框圖

麥克風(fēng)

選擇麥克風(fēng)技術(shù)時(shí)，每種技術(shù)的利與弊可能并不明顯。對此，我們可以選擇以下任意一種方案：

•基于微電子機械系統(MEMS) 的“模擬”麥克風(fēng)。它帶有集成前置放大器，搭配外部 24 位音頻模數轉換器(ADC)，可將格式化數字代碼輸出到 SoC。

•基于MEMS 的“數字”麥克風(fēng)。它帶有單比特一階Δ-Σ 調制器ADC，可輸出脈寬調制 (PDM) 數字比特流，需要進(jìn)一步濾波以創(chuàng )建格式化數字代碼。無(wú)論是專(zhuān)用于語(yǔ)音識別的SoC ，還是數字信號處理器(DSP) 都必須處理這種濾波。獨立的語(yǔ)音 DSP 可減輕SoC 的大量處理工作，卻也會(huì )增加成本。

數字麥克風(fēng)的價(jià)格比模擬麥克風(fēng)更昂貴，但模擬麥克風(fēng)的 SoC 前端也將需要額外配有的 ADC。鑒于傳感器尺寸需適應麥克風(fēng)封裝內的 ADC 以及集成 ADC 本身的性能限制，與帶有單獨 ADC 的模擬麥克風(fēng)比較起來(lái)，數字麥克風(fēng)還具有較低的信噪比(SNR) 和較小的動(dòng)態(tài)范圍。常見(jiàn)的數字麥克風(fēng)的 SNR 約為 65dB， 動(dòng)態(tài)范圍約為 104db。當 ADC 集成后，我們就無(wú)法通過(guò)濾波和過(guò)采樣進(jìn)一步提高 SNR 或動(dòng)態(tài)范圍。

另一方面，模擬麥克風(fēng)與外部 ADC 相結合，其 SNR 或動(dòng)態(tài)范圍（兩者在 ADC 中的意義等同）可高達120dB。這種外部 ADC 通常是 24 位多通道高精度音頻ADC，采用具有高過(guò)采樣功能的三階或四階 Δ-Σ 調制器。它們還集成了復雜的可編程數字抽取濾波 器；具有可配置的自動(dòng)增益控制功能的 PGA 以及用于額外噪聲過(guò)濾和均衡的微型DSP。如果在典型的擁擠房間內或正在播放音樂(lè )的房間內，周?chē)�環(huán)境中的聲音級別很容易達到 60dB，除非終端用戶(hù)靠近麥克風(fēng)或者使用更多的麥克風(fēng)來(lái)使其指令遠高于環(huán)境音， 否則，數字麥克風(fēng)的較低動(dòng)態(tài)范圍就可能導致無(wú)法正確識別語(yǔ)音指令，動(dòng)態(tài)范圍從 104dB 提升至 120dB， 將會(huì )帶來(lái)驚人的效果，這需要我們認真考慮。如果我們將動(dòng)態(tài)范圍提高 6dB ，那就可以讓語(yǔ)音識別范圍擴大一倍。在某些時(shí)候，過(guò)多地擴大動(dòng)態(tài)范圍是不切實(shí)際或是無(wú)用的，但您也可以憑此獲取更多的設計空間。額外增加 14dB 的動(dòng)態(tài)范圍后，您可以通過(guò)減少所需的麥克風(fēng)數量來(lái)節約成本。增加字麥克風(fēng)后， 除了會(huì )增加成本外，系統還會(huì )按照 SoC 自身可用的PDM 輸入數量將每對麥克風(fēng)的三條信號跡線(xiàn)（數據和時(shí)鐘）路由到 SoC，進(jìn)而增加了布局復雜性，因此 這是不可行的。事實(shí)是，每條信號跡線(xiàn)都會(huì )接受和/或 輻射噪聲，這會(huì )讓電磁干擾成為更大的問(wèn)題。最后，運行至每個(gè)數字麥克風(fēng)的時(shí)鐘線(xiàn)路會(huì )造成路由和抖動(dòng)方面的難題。目前模擬麥克風(fēng)具有不同的輸出，支持對信號布線(xiàn)的共模抑制。ADC 還為每個(gè)麥克風(fēng)提供偏置電源，可為陣列降低電源樹(shù)的復雜性。

圖 3.圓形麥克風(fēng)板參考設計

使用配有精密ADC 的模擬麥克風(fēng)可以擴大麥克風(fēng)范圍并提高敏感度，不僅可以降低成本和復雜性，還可以顯著(zhù)減少在各種噪聲環(huán)境下指令識別錯誤。隨著(zhù)第二代智能音箱的推出，這一錯誤率將逐漸成為一項重要的市場(chǎng)優(yōu)勢。

在采用多麥克風(fēng)設計和語(yǔ)音識別時(shí)，我們也無(wú)需重新設計�；�于PCM1864 的TI 圓形麥克風(fēng)板(CMB) 參考設計（如圖 3 所示）使用兩個(gè) 4 通道音頻ADC 與一組模擬麥克風(fēng)（最多含八個(gè)）連接，并且可以在嘈雜的環(huán)境中提取清晰的用戶(hù)語(yǔ)音指令。

揚聲器放大器和電源

對于揚聲器放大器，您需要在輸出功率（通常介于5W 和 25W 之間）、功耗、熱性能、尺寸、揚聲器保護以及聲音保真之間進(jìn)行權衡。

帶有一個(gè)中程高頻揚聲器和低音揚聲器的簡(jiǎn)易揚聲器系統可以產(chǎn)生出色的音質(zhì)，同時(shí)，如果結合使用最新的音頻處理技術(shù)，多個(gè)揚聲器可提供 360 度音頻體驗。

您也可以選擇執行一次性室內校準以調整并以最佳方式匹配揚聲器的頻譜特性，或者采用更復雜的自適應調節方法補償聲區內的音效。TI PurePath 控制臺圖形開(kāi)發(fā)套件可以提供簡(jiǎn)單的一次性調優(yōu)并達到 出色的效果。

在功耗和熱性能方面，降低持續功耗的一種方法是將放大器脈寬調制方案與自適應電源相結合來(lái)降低揚聲器的電源要求。這種技術(shù)對 D 類(lèi)輸出使用可變（非固定）開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)基于音頻內容更改頻率。也就是說(shuō)，內容越多，開(kāi)關(guān)頻率就越高；內容越少，開(kāi)關(guān)頻率就越低。

為了提高效率，您也可以根據內容動(dòng)態(tài)調整放大器的輸出電源電壓。這種技術(shù)稱(chēng)為包絡(luò )跟蹤。它僅在音樂(lè ) 需要提高功率時(shí)跟蹤音頻內容并提高電壓（輸出功 率），特別是在重低音部分（信號內容中有許多峰值）。

數字輸入、D 類(lèi)、IV 感應音頻放大器的立體聲評估模塊參考設計（如圖 4 所示）不僅接受多種格式的數字輸入并提供高質(zhì)量音頻，其 D 類(lèi)拓撲還包括其他功能， 可以最大程度地降低多個(gè)輸出級別的功耗，而不會(huì )降低保真度和性能。

電源管理

與大部分電子系統一樣，電源管理在系統設計中發(fā)揮 著(zhù)重要作用。我們的最終目標是有效地提供電源以減 少熱耗散，從而實(shí)現外形更小、成本更低的系統，并延 長(cháng)便攜式系統的電池運行時(shí)間。SoC 和Wi-Fi 芯片組有時(shí)與專(zhuān)用PMIC 綁定在一起，但您仍可能會(huì )更傾向于通過(guò)使用單獨的直流/直流轉換器、低壓降穩壓器和電壓監控器來(lái)修改功能（如定序）、更改電路板布局 并降低噪聲和/或成本，來(lái)增加電路板布局空間并提高分立式實(shí)現的供應商靈活性。

圖 4.立體聲評估模塊參考設計

除了固定的集成解決方案提供的功能（例如以較低的靜態(tài)電流運行或使用較高的開(kāi)關(guān)頻率（如 1.4MHz 至4MHz）以外，您可能還希望優(yōu)化設計來(lái)降低占用空 間，以滿(mǎn)足對更小電感器的需求�；蛘吣�也可以使用脈沖跳躍或ECO 模式以在輕負荷下節省電力，同時(shí)， 請不要將音頻頻帶切換到 20kHz 以下（這可能會(huì )導致可聞噪聲）。此外，您還可能需要系統輸入電壓具備靈活性。這些放大器需要 12V 至 24V 電源，該電源可通過(guò)內部電源或外部電源適配器提供。

內部交流/直流電源可以提供主電源，但輸出電壓為12V 或 5V 的外部交流/直流壁式適配器更為常用，具體取決于所需的揚聲器電源�？梢酝ㄟ^(guò)適用于低功率揚聲器的微型USB接口或適用于高功率揚聲器的新型的流線(xiàn)型USB Type-C™ 來(lái)提供主電源，取代笨重的傳統壁式交流/直流適配器和桶形插座。由于這些適配器的功率級別不同，使用 USB Type-C 需要從揚聲器到適配器的某種級別的握手，或者采用輸入USB 電流限位開(kāi)關(guān)或具有集成式過(guò)流和過(guò)壓保護的電池充電器。

對于便攜式音箱，一種稱(chēng)為電源路徑管理的技術(shù)支持使用外部交流/直流壁式適配器為電池充電，同時(shí)通過(guò)一個(gè)集成式調節器為揚聲器“實(shí)時(shí)”充電。如果您需要更高的揚聲器放大器電源軌（如 12V 或 18V），一種選擇是使用兩節 8V 電池，然后根據揚聲器放大器的需要提高電壓。電池充電器需要將輸入電壓提升到更高的電池電壓（如果適配器輸出電壓為 5V），并且您需要對揚聲器放大器電源軌使用額外的升壓轉換器， 以在峰值功率的條件下實(shí)現更高的電壓。此外，便攜式智能音箱系統必須具有低待機功耗等級和有效的降壓轉換器，以實(shí)現在電池是唯一的電源時(shí)，可在充電周期之間提供更長(cháng)的運行時(shí)間。

由于音箱是主要電源消耗設備，因此與其放大器需求緊密相關(guān)的電源可實(shí)現具有成本效益的低功耗設計。適用于音頻功率放大器的包絡(luò )跟蹤電源參考設計（如圖 5 所示）就是此類(lèi)解決方案的一個(gè)很好的示例：它以 5.4V 至 8.4V 的輸入電壓軌運行，并向 8Ω 負載提供 2 × 20W 功率（使用 7.2V 電源軌）。此外，它可以按照音頻信號的峰間包絡(luò )更改輸出電壓，從而在輸出電壓范圍內保持高效率。因此，它根據音頻內容動(dòng)態(tài) 調整功率放大器的電源，從而優(yōu)化其功耗。

圖 5.包絡(luò )跟蹤電源參考設計

用戶(hù)界面

您必須根據所需的終端用戶(hù)體驗決定提供哪種類(lèi)型的用戶(hù)界面，因為人機界面是智能音箱市場(chǎng)差異化的一個(gè)主要因素。這種界面可能包括成本較低的簡(jiǎn)單按鈕和單指示器LED、旋轉 LED 陣列、小型 LCD顯示屏以及具有觸控輸入和觸覺(jué)反饋功能的LCD 顯示屏。

LED 基本用于指示狀態(tài)，最近也用于通過(guò)以各種圖案生成動(dòng)態(tài)顏色來(lái)提高終端用戶(hù)體驗。較簡(jiǎn)單的系統可能使用單色LED，但大部分系統使用紅、綠、藍 (RGB)LED。如果您選擇多色 LED，則需要確定使用多少個(gè) RGB LED，以及系統處理器、MCU 或裝有集成式LED引擎的新型多LED 驅動(dòng)器是否會(huì )控制它們。每種選擇均需權衡成本、電源和系統方面的考量。使用集成式LED 圖形引擎可以在處理器管理圖形生成時(shí)減輕其負擔，并在處理器或 MCU 進(jìn)入低功耗待機模式時(shí)驅動(dòng)RGB LED 陣列。

如圖 6 所示，各種LED 環(huán)形燈照明圖案參考設計說(shuō)明了如何使用裝有集成式LED 引擎的新型多通道RGB LED 驅動(dòng)器設計多色RGB LED 環(huán)形燈圖形子系統。使用環(huán)境光傳感器 IC 可自動(dòng)控制LED 亮度。

相應面板按鈕的價(jià)格可能很低，但它們更容易出現機械故障且只具備單一功能。這種按鈕需要終端用戶(hù)“ 按住”才能執行操作（向上、向下、滾動(dòng)），在智能手機領(lǐng)域，這種操作已經(jīng)過(guò)時(shí)且與有悖于常規使用習慣 的。相比之下，電容式觸控的敏感表面可支持更多交互并可以增強用戶(hù)界面功能。這種觸控方式的表面無(wú)需物理外力即可檢測到終端用戶(hù)的接近，并支持背光在黑暗環(huán)境中更易于使用。與簡(jiǎn)單的按壓不同的是， 觸控敏感表面可通過(guò)支持“輕滑”或“旋轉”，讓用戶(hù)更易于接觸到熟悉的界面，從而能夠讓智能音箱脫穎而出。設計合理的電容式觸控控制器可在各種表面，如塑料、玻璃或金屬材質(zhì)上運行，并且可以與音箱外殼表面齊平。

基于手勢的電容式觸控揚聲器界面參考設計（如圖 7 所示）提供了一種易于使用的評估系統，用于使用 TI 電容式觸控MCU 的智能揚聲器的多手勢電容式觸控界面。此設計支持點(diǎn)擊、輕滑、滑動(dòng)和旋轉手勢。

無(wú)線(xiàn)連接

最后，還有一個(gè)基本的開(kāi)箱使用問(wèn)題。如果未連接到互聯(lián)網(wǎng)，智能揚聲器將無(wú)法正常工作�？紤]到速度要求和功率限制，我們將為您提供有關(guān)最佳連接方式的設計決策。

最常見(jiàn)的智能音箱可通過(guò)Wi-Fi 直接連接到互聯(lián)網(wǎng)。在這里，IEEE 802.11n 的寬帶綽綽有余，它還支持多室無(wú)線(xiàn)揚聲器網(wǎng)狀連接。不過(guò)，Wi-Fi 功率放大器會(huì )消耗大量功率，可能會(huì )限制電池供電的智能音箱的運行時(shí)間。因此，支持 Wi-Fi 連接的音箱通常直接插入到壁裝電源插座或裝有支持持續運行的交流適配器。

為了能夠盡可能多的覆蓋到房間或提升立體聲音質(zhì)， 用戶(hù)往往會(huì )希望使用多個(gè)智能揚聲器裝置，這就需要IEEE 802.11n/s 的寬帶支持來(lái)實(shí)現網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中，任何一個(gè)揚聲器均可以在其他揚聲器用作從屬方時(shí)成為主控方（連接到云）。如果作為主控方運行的揚聲器斷電或斷網(wǎng)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )將自動(dòng)分配其他揚聲器作為主控方。而在多揚聲器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中，最大問(wèn)題是同步。

圖 6.各種LED 環(huán)形燈照明圖案參考設計

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中的Wi-Fi 控制器必須具有可靠的同步方案，以避免為用戶(hù)帶來(lái)麻煩。

電池供電的便攜式音箱可能會(huì )將Wi-Fi 云連接轉移到附近的移動(dòng)設備上。如果要連接到移動(dòng)設備以實(shí)現間接云連接和/或收聽(tīng)移動(dòng)設備上存儲的內容，則需要使用傳統藍牙（或藍牙基本速率）來(lái)實(shí)現持續連接， 以對音頻內容進(jìn)行流處理，這是由低功耗藍牙的寬帶限制和電源方案所致。當與傳統藍牙配合使用時(shí)，低功耗藍牙可以控制設備之間的通信。

家庭自動(dòng)化是目前作為單獨實(shí)體存在于許多家庭中的另一個(gè)功能。作為一種獨立集線(xiàn)器，它可以通過(guò)Wi-Fi 連接到互聯(lián)網(wǎng)，也可以通過(guò)對家庭自動(dòng)化（根據Zigbee®、Thread、Z-wave 等標準實(shí)施）設置無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )與專(zhuān)用燈具和恒溫器實(shí)現鏈接。只要具備這一附加獨立集線(xiàn)器，智能音箱就可以合理地宣布通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供家庭自動(dòng)化。

圖 7.基于手勢的電容式觸控界面參考設計

但是，為了讓終端用戶(hù)無(wú)需購買(mǎi)這種額外的無(wú)線(xiàn)集線(xiàn)器，智能音箱可以簡(jiǎn)單地添加帶有集成式射頻功率放大器的多頻帶無(wú)線(xiàn) MCU，從而成為家庭自動(dòng)化集線(xiàn)器。無(wú)線(xiàn) MCU 處理協(xié)議棧操作并控制無(wú)線(xiàn)電，避免加重現有 SoC 或 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )處理器的負擔，同時(shí)支持通過(guò)常用的遠距離家庭自動(dòng)化協(xié)議（包括 2.4GHz 和低于 1GHz 的頻帶）進(jìn)行通信。因為 Wi-Fi 和藍牙也使用 2.4GHz 頻帶，所以您需要通過(guò)集成式無(wú)線(xiàn) MCU 中內置的硬件和軟件的組合來(lái)確保兩者共存。

展望未來(lái)

未來(lái)的智能音箱將不只是僅供音頻使用的獨立設備。由于平板電視更加輕薄，意味著(zhù)需要更小的揚聲器，這將會(huì )對電視聲音產(chǎn)生負面影響。因此，可增強平板電視音效的條形音箱將日漸普及。添加語(yǔ)音識別功能很顯然是條形音箱發(fā)展的下一步。

要實(shí)現這一愿景，智能條形音箱將需要包含一個(gè)用于無(wú)線(xiàn)視頻流的機頂盒，同時(shí)僅有一條 HDMI電纜連接到電視，電視則被作為巨大的顯示器來(lái)使用。由于平板電視更加輕薄，電視控制線(xiàn)路和電源也可以在智能條形音箱中實(shí)現。然后，智能音箱和智能條形音箱將爭相成為整個(gè)家庭娛樂(lè )系統的集線(xiàn)器。添加家庭自動(dòng)化連接后，這些設備也將爭相成為智能家居的自動(dòng)化集線(xiàn)器。

另一個(gè)新增功能是智能音箱顯示屏。向智能揚聲器添加顯示屏是對其功能的自然擴展。正如汽車(chē)中不斷增加中控臺顯示屏，消費者也要求家庭信息化/娛樂(lè )設備提供額外的視覺(jué)體驗。我們還可以看到的是，內容的請求和顯示方式將不同于手持智能手機或平板電腦體驗。由于語(yǔ)音指令是請求內容和控制的主要模式，因此我們將需要使用簡(jiǎn)化的搜索和控制應用來(lái)幫助快速獲取準確的結果。此外，我們還可以簡(jiǎn)化顯示的圖像，降低對觸摸交互的需求，同時(shí)還提供適合遠距離觀(guān)看的超大圖像。

這將提供清晰的視覺(jué)內容，使得消費者在與智能音箱交互時(shí)可獲取更愉快的體驗。

憑借這種新增的顯示功能，智能音箱便可以在客廳中讓位于智能條形音箱，從而專(zhuān)注于客廳以外的區域。智能音箱可提供小型個(gè)人顯示屏，從集成式 LCD 屏幕到大型超短距高清投影（使用 TI DLP® 技術(shù)在任意表面上創(chuàng )建大型顯示屏）。在高流量區域，如廚房或起居室附近的智能設備則需要更加美觀(guān)且不受干擾。增加一個(gè)平板電腦大小或更大的平板顯示器并不總是符合這些標準。在用戶(hù)通過(guò)智能音箱獲取信息，如天氣、烹飪、交通等以及對匿名聲音做出表情時(shí)，投影顯示技術(shù)可以提供更具互動(dòng)性的體驗。由此，智能音箱在家庭中的作用和重要性便將不斷變化和發(fā)展，從而為設計師帶來(lái)了新趨勢和讓其設計與眾不同機會(huì )。