| 近年來(lái)，智能家居技術(shù)一直在迅速發(fā)展。越來(lái)越多的家庭采用 Amazon Echo 和 Google Home 等智能揚聲器。一度只生產(chǎn)簡(jiǎn)單家用設備的公司，現正面臨著(zhù)高保真音頻輸出的需求。這種音頻輸出遠遠不止于普通的嗶嗶聲或是通知衣服已經(jīng)清洗完畢的音樂(lè )聲；此音頻技術(shù)能使電冰箱大聲報讀食品清單，或讓照明開(kāi)關(guān)提醒人們在離開(kāi)房間之前關(guān)燈。
增添先進(jìn)的音頻功能是令人怯步的艱巨工作，會(huì )使本已緊張的工程設計團隊的時(shí)間表變得復雜紛亂。在本篇博文中，我將探討與智能家居音頻設計相關(guān)的四大挑戰和如何簡(jiǎn)化設計過(guò)程的方法。
1.難以定義項目要求。
您要從事的項目聽(tīng)上去很簡(jiǎn)單：讓這件設備講話(huà)。但伴隨音頻輸出的是許多設計選擇和挑戰，從一眼看過(guò)去都非常近似的海量選擇中挑選出適合的放大器，不是一件容易的事情。
為了簡(jiǎn)化選擇放大器的過(guò)程，TI 的交互式框圖針對特定智能家居應用提供組件方面的建議。例如，圖 1 顯示的智能揚聲器框圖，重點(diǎn)介紹了功能能夠滿(mǎn)足多種智能家居設計要求的音頻子系統和大量揚聲器放大器。同一頁(yè)上的音頻參考設計附帶可用作項目模板的原理圖和配套部分，既增加了系統級知識，又降低了組件選擇的難度。
圖 1：智能揚聲器框圖
TI 框圖是開(kāi)始設計的很棒的第一步，但是揚聲器放大器的選擇最終將取決于您的項目要求。最常見(jiàn)的智能家居產(chǎn)品要求中的兩個(gè)，是高效率和簡(jiǎn)潔而重點(diǎn)明晰的設備概要文件。
2.音頻輸出和先進(jìn)功能會(huì )降低能源效率。
為智能家居設備添加額外功能會(huì )增加功耗，音頻功能也會(huì )導致這樣的結果。隨著(zhù)科技公司不斷努力開(kāi)發(fā)綠色環(huán)保技術(shù)和政府頒布有關(guān)備用電源的法規，優(yōu)化下一代產(chǎn)品使其功耗不斷下降就變得日益重要了。低效率的音頻系統是浪費功率和降低用戶(hù)滿(mǎn)意度的主要元兇之一，它增加電費開(kāi)支，還能更快速地消耗電池電能，甚至使設備發(fā)熱。
音頻放大器不總是起到上述作用，但是在用戶(hù)需要反饋或通知時(shí)，它們則必須響應；想一想閑置模式下的安防攝像機或智能顯示屏，就會(huì )明白其中的道理。另一方面，在開(kāi)泳池派對時(shí)，藍牙® 揚聲器需要高效播放夏日樂(lè )單，這樣它的電池才能維持一整天。
為解決以智能家居為核心的應用問(wèn)題，TI 最新的揚聲器放大器擁有了先進(jìn)的內置功耗管理功能。這一專(zhuān)有的混合調制方案可將 >12-V 系統中的待機電流損耗降至最低，同時(shí)采用音頻信號包絡(luò )跟蹤算法的板載 H 類(lèi)升壓設置，能夠將電池供電系統的電池續航時(shí)間延長(cháng)多達 40%。圖 2 說(shuō)明了受算法控制的多步升壓，尤其是在播放音頻且增益較低的情況下，是如何顯著(zhù)節約固定式 12V 電源軌的功耗的。
圖 2：H 類(lèi)多步升壓軌為固定式 12V 電源軌顯著(zhù)節省功耗
3.物理條件局限限制了音頻性能。
電子設備已經(jīng)縮水為極簡(jiǎn)潔的設計。家用設備小巧的外形從未給音頻功能留有余地，這使得添加額外組件，比如放大器、數字信號處理器（DSP）、升壓轉換器和揚聲器，而又不增大總體尺寸成為一件困難的事情。
TI 的音頻團隊充分考慮了這些局限，把主要精力放在制作集成更多功能的放大器上，以便減少外部組件并優(yōu)化音頻子系統占用的空間。
智能家居生態(tài)系統的核心是智能揚聲器，它的高品質(zhì)音樂(lè )和虛擬輔助反饋對于博取高用戶(hù)滿(mǎn)意度至關(guān)重要。增添音頻 DSP 來(lái)產(chǎn)生高品質(zhì)輸出，亦同時(shí)增加了成本和印刷電路板（PCB）體積。TI 提供集成了處理能力的音頻放大器，于是用戶(hù)可以調節揚聲器輸出最清晰的虛擬輔助響應和最豐富的音樂(lè )體驗。外部回聲消除算法甚至能夠利用預處理后的信號，幫助智能揚聲器更準確地區分音頻輸出和用戶(hù)語(yǔ)音命令。
D 類(lèi)揚聲器放大器的高開(kāi)關(guān)頻率，導致電磁干擾（EMI），使音頻信號失真。這通常需要由多個(gè)大型電感器進(jìn)行抑制。但是諸如擴展頻譜和相位優(yōu)化等功能不需要外部電感器就能抑制 EMI，既節省空間和成本，又能產(chǎn)生超低失真的音頻輸出。
一般來(lái)說(shuō)，揚聲器輸出功率與其尺寸緊密相關(guān)；如果您想要更大的音量，就需要更大的換能器，但在設計空間局促的產(chǎn)品時(shí)可能無(wú)法使用換能器�？梢曢T(mén)鈴需要高聲和清晰地輸出家庭主人說(shuō)的話(huà)，即使在嘈雜環(huán)境中也必須做到這一點(diǎn)，同時(shí)還要保持小巧纖薄的外形。適合這些設計的智能揚聲器，輸出的功率也較低，因此更易于因過(guò)熱和超溫而損壞。但由于有了 TI 揚聲器保護算法，較小的揚聲器也能安全輸出較高音量，達致前所未有的優(yōu)越音質(zhì)。
如圖 3 所示，采用揚聲器保護算法的 TI 智能放大器，使工程師能夠充分利用揚聲器功能和輸出更高的平均功率，而又不會(huì )把換能器集成從設計中拿掉。在智能家居中，音量的視場(chǎng)合變化意味著(zhù)訪(fǎng)客坐在車(chē)里，即使旁邊有汽車(chē)飛馳而過(guò)，也能輕松聽(tīng)到主人的聲音。
圖 3：揚聲器保護算法使揚聲器能夠輸出比傳統放大器高出兩倍的音量，同時(shí)不會(huì )損壞元器件
小外形裝置散熱不佳，也給不斷縮小的智能家居產(chǎn)品帶來(lái)了問(wèn)題。熱量可以損害內部組件，形成不良的用戶(hù)體驗，或者如果未能正確處置會(huì )引起裝置起火。設計時(shí)牢記散熱，就表示考慮 PCB 布局和銅線(xiàn)厚度，或部署如溫度折返等功能使揚聲器放大器減少散熱，方法是在過(guò)熱情況下，動(dòng)態(tài)調節音頻信號的增益。在設計安全可靠產(chǎn)品的初始階段，就必須牢記熱量管理。
4.運用先進(jìn)的音頻放大器技術(shù)/功能，要求深厚的專(zhuān)業(yè)技能，并且實(shí)施起來(lái)有難度。
先進(jìn)功能能解決許多問(wèn)題，這在方案研究階段聽(tīng)上去很不錯，但如果很難實(shí)施就沒(méi)有什么價(jià)值了，尤其對于首次設計音頻的工程師而言更是如此。從零開(kāi)始構建特性或通過(guò)外部組件實(shí)施是困難的，一來(lái)不能有效使用 PCB 空間，二來(lái)需要電力電子和信號處理方面的專(zhuān)業(yè)知識。為簡(jiǎn)化下一代產(chǎn)品的設計，TI 不僅為放大器集成了多種功能，而且還提供免費的軟件工具幫助用戶(hù)輕松控制它們。
PurePath™ Console 3 軟件套裝通過(guò)連接各設備的評估模塊（EVM）簡(jiǎn)化了對這些設備的操控，便于工程師在現代化且易于使用的圖形用戶(hù)界面中迅速調整音頻輸出、標定設置和體現揚聲器的特征。
逐步調節和特征化向導及大量培訓資源，拉平了與學(xué)習新工具相關(guān)的學(xué)習曲線(xiàn)（即，降低了學(xué)習難度，減少了學(xué)習時(shí)間）。該軟件兼容多種 TI 音頻評估模塊（EVM），支持項目在未來(lái)采用新設備，軟件套件則不需要變化。
由于功耗管理、揚聲器保護和音頻均衡都集成到了 TI 設備中，通過(guò) PurePath Console 軟件可以輕松配置它們。它們只需要很少或完全不需要額外的軟件開(kāi)發(fā)工作，這使得我們運用這些設備和軟件便能夠創(chuàng )造出高功耗管理效率、高保真的音頻子系統，在提高用戶(hù)滿(mǎn)意度之余，有很大的把握能夠契合總體項目時(shí)間安排。 |
