【導讀】音頻/語(yǔ)音用戶(hù)接口（VUI）是未來(lái)人機交互的一個(gè)重要的新興趨勢，將越來(lái)越多地用于智能家居控制、樓宇自動(dòng)化、智能零售、聯(lián)接的汽車(chē)、醫療等物聯(lián)網(wǎng)垂直領(lǐng)域，這涉及語(yǔ)音觸發(fā)、識別、處理技術(shù)，同時(shí)設計人員還面臨如何提高能效的挑戰。針對本地和云端，安森美半導體都有相應的VUI方案，提供先進(jìn)的語(yǔ)音觸發(fā)、識別、處理、控制等功能，具備出色的計算能力和能效，確保卓越的用戶(hù)體驗。
VUI架構及分類(lèi)
圖1是基于麥克風(fēng)陣列的高級語(yǔ)音接口架構，本地處理需要進(jìn)行說(shuō)話(huà)人跟蹤、語(yǔ)音增強，其中涉及波束成形、喚醒詞檢測、聲源定位、降噪、語(yǔ)音檢測等技術(shù)，云端方案則涉及自然語(yǔ)言處理。其后，指令還需通過(guò)音頻播放功能播放出來(lái)，同時(shí)需進(jìn)行回聲消除。
圖1：基于麥克風(fēng)陣列的高級語(yǔ)音接口架構
本地VUI以預存的詞或句為識別單位，說(shuō)話(huà)人可以是特定用戶(hù)也可以是非特定用戶(hù)，而云端VUI基于人工智能進(jìn)行語(yǔ)義理解和語(yǔ)音合成，說(shuō)話(huà)人是非特定用戶(hù)。本地VUI通過(guò)藍牙聯(lián)接網(wǎng)絡(luò )，而云端VUI通常通過(guò)WiFi聯(lián)接。本地VUI的功耗和信息泄露的風(fēng)險相對更低，云端VUI具有更高的識別率和擴展性。相對而言，本地VUI比云端VUI的功耗低。設計人員可根據特定應用需求決定是用本地VUI方案還是云端VUI方案。
本地VUI方案
根據本地VUI方案的特點(diǎn)，它必須能進(jìn)行雙向語(yǔ)音通信，能識別非特定用戶(hù)語(yǔ)音，支持充足的指令和多種語(yǔ)言，可靈活擴展，最好把波束成形和降噪等技術(shù)集成到單個(gè)芯片上以降低成本和減小占位。如安森美半導體的單芯片方案LC823450，含雙Cortex-M3核，集成數字信號處理（DSP）用作語(yǔ)音前端處理，SRAM提供1656k字節內存，無(wú)需配備輔助內存芯片，含兩個(gè)數字麥克風(fēng)I/F接口、兩個(gè)數模轉換器，包括回音消除、降噪等先進(jìn)功能，具備極高擴展性、小占位，功耗超低，若結合生態(tài)系統合作伙伴的語(yǔ)音控制技術(shù)如Sensory的TrulyHandsfree，支持喚醒詞和語(yǔ)音命令的定制，適用于家居自動(dòng)化和音樂(lè )播放的語(yǔ)音交互。
圖2所示為本地VUI方案的一個(gè)示例應用框圖及評估板。采用安森美半導體的超低功耗音頻處理單芯片LC82345X、麥克風(fēng)預放大器FAN3852、低壓降穩壓器（LDO）NCP170、同步PWM開(kāi)關(guān)降壓穩壓器NCP3170、單聲道音頻功率放大器NCP2823。安森美半導體憑借在電源管理的經(jīng)驗和專(zhuān)知，使這方案實(shí)現超低功耗，這是此方案與其他競爭對手方案相比的一個(gè)優(yōu)勢?，F有的方案雖然未集成WiFi、藍牙雙模的模塊，但安森美半導體已收購了WiFi領(lǐng)袖Quantenna，已具備相關(guān)技術(shù)，未來(lái)會(huì )考慮將WiFi模塊也集成進(jìn)去。
圖2：語(yǔ)音控制應用框圖及評估板
云端VUI方案
從應用場(chǎng)景來(lái)看，云端VUI除了進(jìn)行語(yǔ)義理解和語(yǔ)音合成，還可推送各種服務(wù)，如智能語(yǔ)音助手除了可播放音樂(lè )、講故事，還支持智能零售，如打車(chē)、叫外賣(mài)等。當前云端VUI的一個(gè)痛點(diǎn)是工作頻率較高，需外接存儲器和閃存，耗電量大，物料單（BoM）成本高。安森美半導體的音頻DSP系統單芯片（SoC）LC823455方案很好地解決了這些痛點(diǎn)問(wèn)題，集成4M RAM，無(wú)需外部存儲，除了CPU核外還含波束成形、降噪、回音消除功能，集成預實(shí)現的音頻硬件（模數轉換器、數模轉換器及功放），降低BoM成本，因降低時(shí)鐘頻率從而提供功耗優(yōu)化的MCU，功耗超低，提供穩定的聯(lián)接和極高擴展性，寬廣的封裝陣容支持各種音頻產(chǎn)品，如音樂(lè )播放器、錄音器、智能家電、WiFi/藍牙音箱等。
圖3所示為智能音箱參考設計框圖，此參考設計基于LC823455，有4個(gè)ONA101V和1個(gè)ONA40功放，含USB-C PD源/汲接口，支持Strata平臺，設計人員只需將此評估板插入裝有Strata的電腦，即可自動(dòng)識別并開(kāi)始下載相關(guān)的所有文檔及配套資料，包括原理圖、布板、測試報告、用戶(hù)指南等，同時(shí)出現圖形用戶(hù)界面（GUI），顯示所有相關(guān)參數和選項供工程師開(kāi)始評估，幫助加快和簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)。此參考設計目前支持亞馬遜Alexa語(yǔ)音服務(wù)，安森美半導體也在同中國國內一些語(yǔ)音服務(wù)商接洽，未來(lái)也會(huì )支持國內語(yǔ)音助手。這方案最顯著(zhù)的一個(gè)優(yōu)勢也是超低功耗，經(jīng)過(guò)將其與競爭對手方案的功耗進(jìn)行測試，安森美半導體的方案功耗約為競爭對手方案功耗的一半。
圖3：智能音箱參考設計框圖
安森美半導體的移動(dòng)及智能音箱音頻技術(shù)/知識產(chǎn)權
安森美半導體具備豐富的知識產(chǎn)權支持移動(dòng)及智能音箱的設計開(kāi)發(fā)，包括音頻處理系統、D類(lèi)功放、麥克風(fēng)預放大、高性能音頻開(kāi)關(guān)，提供具競爭力的優(yōu)勢助力設計人員設計出具競爭優(yōu)勢的產(chǎn)品。
在音頻處理系統方面的競爭優(yōu)勢包括小的PCB占位、高度集成的SoC（CPU+DSP+音頻）、集成ARM Cortex-M3雙核、專(zhuān)有的32位DSP。
在D類(lèi)功放方面，支持小于10 W、10W至30 W，針對大于30 W的應用僅提供樣品。其中小于10 W的功放尺寸小，采用模擬輸入，10W至30W的功放支持數字接口，提供最佳的動(dòng)態(tài)范圍、增益誤差漂移。
對于麥克風(fēng)預放大，安森美半導體的方案采用最小的標準間距WLCSP封裝將模擬音頻轉換為數字音頻，支持不同的傳感器接口。
音頻開(kāi)關(guān)方面，安森美半導體提供最小阻抗/面積的耗盡型開(kāi)關(guān)。
周邊技術(shù)：USB Type-C和D類(lèi)功放
USB Type-C使每個(gè)端口都能成為電源、數據、視頻或音頻端口，大大地方便了用戶(hù)，將越來(lái)越多地用于各種電子應用，如語(yǔ)音交互。安森美半導體提供完整的USB Type-C方案陣容支持音頻應用的開(kāi)發(fā)，包括供電、復用音頻信號、信號開(kāi)關(guān)、接口保護等，具有最小的占位、超低靜態(tài)功耗，集成豐富的保護功能。
智能音箱等新興音頻應用對功放的要求越來(lái)越高，安森美半導體針對性地開(kāi)發(fā)出了一系列10 W以上功率等級的D類(lèi)功放產(chǎn)品線(xiàn)，結合陶瓷封裝技術(shù)、CMOS電路技術(shù)及可針對不同應用定制的功率MOSFET技術(shù)，提供低熱阻、高頻互聯(lián)、高功率密度、低噪聲（<70 uV）、低總諧波失真（THD<0.03%）等優(yōu)勢。以ONA101V為例，這是一款單通道數字輸入D類(lèi)功放，動(dòng)態(tài)范圍105 dB，帶喇叭采樣數字輸出功能，該功能實(shí)時(shí)采樣所驅動(dòng)喇叭的電壓和電流，可使用微控制器上運行的算法來(lái)計算喇叭特性。這些參數可用于計算喇叭電阻、回響、溫度等。根據這些值，可以創(chuàng )建算法來(lái)執行一系列任務(wù)，從而實(shí)現喇叭保護、范圍擴展等功能。
總結
語(yǔ)音交互正日漸流行，語(yǔ)音識別和自然語(yǔ)言處理技術(shù)是VUI的基礎，安森美半導體提供本地VUI方案和云端VUI方案，集成波束成形、回音消除、降噪等先進(jìn)的語(yǔ)音處理技術(shù)、超低功耗電源管理及USB Type-C、D類(lèi)功放等周邊器件，并攜手生態(tài)鏈合作伙伴，大大降低BoM成本，同時(shí)具備出色的計算能力和超低功耗，提供極佳的用戶(hù)體驗。
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