德州儀器：提升智能音箱的創新設計，把握下一個市場機遇！
前言：
作者：
Benwei Xin，德州儀器（TI）市場業務經理
Wenchau Albert Lo，德州儀器（TI）個人電子產品系統工程師
智能音箱行業的競爭愈發激烈，各大制造商都在爭相開發功能更強大、使用更方便的產品。當今的智能音箱擁有語音交互、人工智能、智能家居控制及多媒體播放等豐富的功能。要在競爭中占據先機，智能音箱的設計必須在總體系統成本、電池續航能力、熱效應、回聲消除和音質方面具備優勢。
總體系統成本
降低系統成本是整個智能家居行業的重中之重。在智能音箱設計中，設計人員最有可能做到的是通過音頻放大器降低系統成本。德州儀器（TI）的音頻設計團隊并未犧牲音質表現來換取系統成本，而是另辟蹊徑，圍繞音頻放大器開發了一系列解決方案，可在提升性能的同時降低系統成本。
降低系統成本是整個智能家居行業的重中之重。在智能音箱設計中，設計人員最有可能做到的是通過音頻放大器降低系統成本。德州儀器（TI）的音頻設計團隊并未犧牲音質表現來換取系統成本，而是另辟蹊徑，圍繞音頻放大器開發了一系列解決方案，可在提升性能的同時降低系統成本。
例如，針對 10 W 以下的音頻系統，TI 電磁干擾抑制技術用鐵氧體磁珠取代了電感器。4 個電感器的平均成本為 0.16 美元，而 4 個鐵氧體磁珠的平均成本僅為 0.04 美元。這樣，僅這一項，設計人員就可在一個雙聲道系統中平均節約 0.12 美元。
電池續航能力和熱效應
小尺寸電池可以使智能音箱更小巧、更輕、更便攜。而更高的效率和優化的熱效應，不僅有助于減小電池尺寸，還可以保持電池的續航能力。
麥克風和片上系統（SoC）是主要的耗電組件，但它們需要持續聽取指令。因此，要降低待機功率和熱耗散，設計人員必須從其它方面著手。。
從音頻放大器著手是其中一個理想選擇，因為除SoC外，它的待機功耗最高，熱耗散也最大。要降低待機功耗，運用混合調制模塊音頻放大器可調整輸出脈沖寬度調制的工作周期，控制從電感器到音箱的電流，從而減少 50% 的閑置電流。這樣，便可以降低總體功耗，優化熱耗散，最終無需增加電池尺寸即可延長電池的續航時間。
回聲消除
語音識別的準確性會影響虛擬助手的性能，也是智能音箱性能的一個重要指標。其中的一項挑戰就是，麥克風會拾取各種各樣的環境噪聲，包括其它電器、人員對話，甚至是智能音箱正在播放的音樂。為了過濾環境噪聲，更準確地識別用戶的語音命令，智能音箱應配置多個麥克風，并采用綜合技術實現準確的語音識別。
語音識別的準確性會影響虛擬助手的性能，也是智能音箱性能的一個重要指標。其中的一項挑戰就是，麥克風會拾取各種各樣的環境噪聲，包括其它電器、人員對話，甚至是智能音箱正在播放的音樂。為了過濾環境噪聲，更準確地識別用戶的語音命令，智能音箱應配置多個麥克風，并采用綜合技術實現準確的語音識別。
其中一項技術就是回聲消除，它可以識別播放中音樂的數字信號，然后將該信號從麥克風輸入中去除。回聲消除以數字化方式消除一切背景噪聲，包括音樂。為了更好地濾除環境噪聲，帶有回聲消除功能的音頻放大器有一個SDOUT （電子聲音輸出）信號。如圖 1 所示，SDOUT 信號饋入 SoC，濾除麥克風收到的音樂信號。
圖 1：回聲消除系統框圖
高音質
智能音箱的設計小巧美觀。但尺寸小了，音頻輸出功率也會減小。具備良好音箱保護功能的放大器可在無損音質的情況下增大音箱的音量輸出。利用算法和模型，音箱保護放大器可分析輸入的音樂信號，然后提供 5 倍于音箱額定功率的峰值輸出功率，最終實現兩到三倍的輸出音量放大效果，而且不會影響音箱的音效。如此一來，外形小巧的智能音箱也能實現高品質音效。
智能音箱的設計小巧美觀。但尺寸小了，音頻輸出功率也會減小。具備良好音箱保護功能的放大器可在無損音質的情況下增大音箱的音量輸出。利用算法和模型，音箱保護放大器可分析輸入的音樂信號，然后提供 5 倍于音箱額定功率的峰值輸出功率，最終實現兩到三倍的輸出音量放大效果，而且不會影響音箱的音效。如此一來，外形小巧的智能音箱也能實現高品質音效。
下一個機遇是什么？
除了在傳統音箱中加入語音互動功能之外，智能音箱市場的另一個關注重點是實現高保真聲音。盡管目前市場上的大部分藍牙（Bluetooth® ）音箱都不具備語音識別或語音交互功能，但在不久的將來，藍牙加上語音識別、語音交互將成為市場標配。
除了在傳統音箱中加入語音互動功能之外，智能音箱市場的另一個關注重點是實現高保真聲音。盡管目前市場上的大部分藍牙（Bluetooth® ）音箱都不具備語音識別或語音交互功能，但在不久的將來，藍牙加上語音識別、語音交互將成為市場標配。
自帶電池的便攜式智能音箱，需要實現具有和線路供電音箱同等的功率，這將成為智能音箱設計的下一個機遇。
在過去的 10 年里，音箱設計已從大型、家用型慢慢向更小巧便攜、更智能的個人應用演變，在這個過程中，德州儀器提供了大量的技術和系統解決方案，以實現智能音箱更長的續航時間、更好的音質體驗、穩定的連接性以及快速的充電效果，并盡可能地為客戶降低系統成本圖 2 展示了德州儀器的智能音箱系統框圖，可供快速進行系統選型和設計。
圖 2：TI 智能音箱系統框圖
請點擊查看交互式框圖，或瀏覽更多參考設計、應用手冊以及其它智能音箱設計資源。
其他資源
• 智能音箱系統TI參考設計推薦：
o 為無輔助 AC / DC 電源實現低于 90mW 的待機功率參考設計.
o 12mm x 12mm、5 軌應用處理器電源定序參考設計.
o 采用 LED 動畫的人機界面參考設計.
o 采用 MSP430™ 電容式觸控 MCU、觸覺元件和 LCD 的 MSP432™ MCU 參考設計.
o 基于 PCM1864 的圓形麥克風板 (CMB) 參考設計.
o 采用 TI DLP® 技術且適用于低成本處理器的超便攜、低功耗 nHD 顯示參考設計.
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