Zvok je sestavni del številnih aplikacij IoT, vključno z izdelki za potrošnike, kot so zvočniki in slušalke, nosljivi in medicinski pripomočki (npr. Slušni aparati), aplikacije za avtomatizacijo in industrijsko kontrolo, zabavnimi sistemi in avtomobilskimi infozabavnimi enotami.
IoT zvok lahko na splošno razvrstimo v tri vrste: pretakanje (tj. Glasba, glas in podatki), prepoznavanje/ukaze glasu in brezžično povezavo prek Bluetooth in Wi-Fi povezljivosti (npr. Pretok večkanalnega zvoka čez Wi-Fi v domači prostorski zvočni sistem). Vendar je oblikovanje kakovostnih, neprekinjenih akustičnih zvočnih podsistemov lahko izziv, ko se morajo inženirji držati strogih omejitev, potrebnih za naprave, ki temeljijo na IoT.
Za vključitev naprednih funkcij, kot je prepoznavanje glasu, so potrebni bolj zapleteni dizajni, na primer omogočajo voznikom, da na svoj avtomobil nadzirajo infozabavni sistem na enak način kot mobilni telefon. Ker je MCU v središču vseh teh zvočnih sistemov, je pomembno izbrati MCU, ki združuje potrebne zvočne tehnologije, potrebne za oblikovanje zanesljivega zvočnega sistema brez hrupa. Ta članek raziskuje zvočne tehnologije, ki jih je mogoče uporabiti za oblikovanje takšnih sistemov.
Komponente zvočnega podsistema
IoT Audio vključuje tri glavne dejavnosti: Steam visokokakovostni glas/podatke, brezžični prenos in nadzor reorganizacije glasu. Slika 1 prikazuje najpomembnejše gradnike v vgrajenem sistemu.
Ta blok diagram prikazuje pomembnejše gradnike podsistema za obdelavo zvoka
Upoštevajte, da je mogoče veliko teh funkcij vključiti v sodobni MCU, kot je Cypress Cyw43907 z integriranim Wi-Fi 802.11N, uporabljenim v tem primeru. Nekatere pomembne avdio tehnologije, ki so lahko vključene v IoT sistem, vključujejo:
Glasbene aplikacije
Zvočni MCU-ji omogočajo inženirjem, da dekodirajo MP3/4 toke, ki jih uporablja večina priljubljenih medijskih predvajalnikov in ponudnikov vsebin. Številni modeli morajo podpreti tudi dekodiranje WMA in Apple AAC, kar zahteva dodatno procesno moč. V avdio aplikacijah za potrošnike lahko poceni zvočni MCU-ji pogosto uporabite z upravljanjem digitalnih glasbenih tokov iz zvočnih dodatkov, kot so digitalni nabor zvočnikov.
V teh aplikacijah okvir zvočnih podatkov PCM (zaprto v obliko USB zvočnega razreda) prispe vsake 1 ms prek enega od serijskih kanalov SPI/I²C procesorja. Odvisno od vira lahko zvočni tok pride v enega od več formatov (tj., Levo poravnan, desno poravnan, i2s itd.). Vendar lahko nekateri poceni kodeki sprejmejo le nekatere formate. V teh primerih ima MCU pomembno vlogo pri zagotavljanju, da so podatki pravilno poravnani, preden se napajajo s kodekom.
Ker vsi zvočni viri ne uporabljajo enake hitrosti vzorčenja, mora kodec prilagoditi tudi svojo frekvenco vzorčenja virju ali se zanašati na MCU, da pretvori vzorčni tok podatkov v skupno hitrost podatkov (glej sliko 2). V teh primerih mora MCU upravljati s tokom, da se izogne pogojem premajhnih ali preobremenitve, ki lahko privedejo do utišanja, pops in prekinitve zvoka, ki lahko povzročijo izgubo podatkov in motijo izkušnjo poslušanja uporabnika. Upoštevajte, da se lahko zvok MCU uporabi tudi za izvajanje drugih funkcij zvočnega podsistema, na primer nadzor osvetlitve med predvajanjem zvoka.
Zvok MCU bo morda moral izvesti pretvorbo formata, prilagoditev hitrosti vzorca in upravljanje toka ter podpirati uporabniške vmesnike zvoka.
Za izvajanje zvoka v najrazličnejših aplikacijah mora Audio MCUS podpreti različne zvočne tehnologije. Slika 3 prikazuje primere teh zvočnih tehnologij.
zvočna tehnologija
Zvočni kodeki
Zvočni kodeki so glavna komponenta sprednjega dela zvočnega sistema. Številni MCU -ji, vgrajeni za IoT aplikacije, podpirajo funkcionalnost kodeka v strojni opremi. To omogoča sistemu, da zmanjša velikost digitalnih zvočnih vzorcev za pospešitev brezžičnega prenosa (shranjevanje moči) in shranjevanje prostora za shranjevanje (zmanjšanje obremenitve notranjega pomnilnika). Kodek lahko podpira različne zvočne standardne formate, kot so AAC, AC -3 in ALAC. Za to je potrebna enota za dekodiranje (AU), ki se izvaja pred kakršno koli zvočno obdelavo (npr. Dsola, sola). Kadar se uporablja s standardnimi zvočnimi oblikami, kot so AAC, AC -3 in ALAC, je zvok razvrščen tako, da so nadaljnji zvočni vzorci znotraj predpisane oblike, določene v toku podatkov Audio Packet. Razmik paketov je tudi uspešen, da se v prisotnosti zastojev omogoči minimalni navzkrižni tresenje in neprekinjeno delovanje. Velikost Au koristne obremenitve omogoča izvedbo vsakega prikrivanja, ki ga je treba izvesti.
Obdelava osnovnega pasu
Osnovni pas je temeljna skupina frekvenc v analogni ali digitalni valovni obliki, ki jo lahko obdelamo z elektronskimi vezji. Osnovni pasov signal je lahko sestavljen iz ene frekvence ali skupine frekvenc ali v digitalni domeni toka podatkov, poslanih čez ne-multipleksirani kanal. Osnovni pas je definiran kot osnovni pas (signal/sekundo), pomešan z nosilnim signalom, da ustvari moduliran signal. Upoštevajte, da v MCU -ju, ki podpira IoT zvok, zvočni kodek integrira obdelavo baze in RF na en čip. Zvočni kodek je mogoče implementirati v različnih brezžičnih oddajnikih, da se zagotovi glasovne podatke in/ali glasbene funkcionalnosti. V kodeku so tudi mono in stereo kanale za zvočni izhod, pa tudi stereo vhode.
Prikrivanje izgube paketov in podvajanje podatkov
Prekomerna zamuda, izguba paketov in tresenje z veliko zamudo lahko poslabša kakovost komunikacije. Verjetnost nenadne izgube paketa se poveča z obremenitvijo omrežja in povzroči prekinitve, ki jih lahko sliši uporabnik. Robusten zvočni prenos prek Wi-Fi je mogoče izboljšati z naprednimi funkcijami, kot je Cypressova tehnologija za prikrivanje paketov. Vir/sprejemnik sistemske arhitekture je naslednji: en vir zajame zvok, multipleksa podatkov PCM prek strukture toka RTP in sinhronizira uro z vsemi sprejemniki, povezanimi z virom PLC.
Upoštevajte, da je uspešnost komunikacijske povezave odvisna od kakovosti uspešnosti proračuna povezav. Ta proračun povezave določa tri dejavnike: oddajanje moči, oddajanje antene in prejema dobiček antene. Na primer, zanesljiva komunikacija v omrežju 802.11 je mogoča, če je moč poti povezave minus izguba razpoložljivega prostora večja od minimalne ravni sprejetega signala sprejemnega radia (glej sliko 4).
Učinkovitost komunikacijske povezave je odvisna od kakovosti uspešnosti proračuna povezav
Izboljšanje razumljivosti govora (SIE)
Hrup v ozadju v zvočnem sistemu lahko zmanjša razumljivost govora. Če hrup presega določeno raven, bo lahko govor težko razumeti. Razpoložljivost neprekinjenega prepoznavanja govora na vgrajenih napravah zahteva sistem, ki izboljšuje razumljivost govora, ki je okvarjen s hrupom. Izbira MCU, ki podpira prenos in optimizacijo pogosto uporabljenega sistema velikega besedišča neprekinjenega prepoznavanja govora (LVCSR), lahko poenostavi razvoj.
Zaznavanje prebujanja fraze
Ta napredna funkcija uporabnikom omogoča, da vklopijo sistem prostoročno z aktiviranjem naprave s svojim glasom.
Učinkovit večpredstavnost na enega ali več zvočnikov
Multicasting je metoda naslavljanja omrežja, ki se uporablja za pošiljanje sporočil skupini ciljev hkrati z uporabo najučinkovitejše strategije. Sporočila se dostavljajo samo enkrat prek vsake povezave v omrežju, kopije pa se ustvarijo le, ko se naslednja povezava razdeli na več destinacij, običajno na omrežnih stikalih in usmerjevalnikih. Vendar pa, tako kot uporabniški protokol Datagram (UDP), tudi Multicast ne zagotavlja dostave toka sporočil, kar lahko privede do zavračanja sporočil ali neorganizirane dostave sporočil. Zanesljiva multicast (RMC) zagotavlja potrdila za pakete z večpredstavnostnimi paketi (samo paketi), tako da se lahko določene posebne pakete z večpredstavnostnimi paketi zanesljivo dostavijo. Oddajnik izbere sprejemnik z najšibkejšim RSSI, da potrdi okvir. V IoT okolju implementacija RMC pomeni, da oddajnik Wi-Fi izbere enega od številnih sprejemnikov Wi-Fi, ki bo priznal sprejem okvira. Oddajnik izbere sprejemnik z najšibkejšim RSSI, da potrdi okvir. Izvajanje uporablja operativni okvir, ki vsebuje lastniške informacijske elemente RMC za obveščanje in omogočeno potrditev. Izvedba vsebuje tudi RMC specifične ukaze gonilnika Wi-Fi, da nastavite MAC naslov Multicast in omogočite in onemogočite RMC.
Za zvočne in video s fiksnimi in simetričnimi zamudami prenosa so izpolnjene zahteve glede časovne sinhronizacije; Na primer, RMC se lahko zanaša na zelo natančno časovno razporeditev in sinhronizacijo za gladek prenos glasov, video in mobilnih podatkov na celico. Doseganje zelo natančnega in natančnega časa s tehničnega vidika ni enostavno, zato je pomembno najti izvedbe, ki jih je mogoče preveriti tako, da izpolnjujejo zahteve glede aplikacij.
Uokvirjanje formatov, popravljanje napak naprej in podvajanje paketov
Za pretakanje zvoka je ključnega pomena, da je ura sinhronizirana z vsemi sprejemniki Wi-Fi. Eden od pristopov je uporaba skupne ure tako za naprave za izvor in sprejemnik, ki se pogosto imenuje stenska ali sistemska ura (STC). Najprej vsak sprejemnik (sprejemnik) sinhronizira svoj STC (stenska ura) z izvornim/oddajnikom STC (glavna stenska ura). Vsak sprejemnik lahko zdaj obnovi uro oddajnika, ker časovni žig, ki ga vstavi vir (na voljo v razširjeni glavi vsakega paketa RTP) odraža vzorčen trenutek medija glede na skupno uro.
STC temelji na vrednostih velemojsterja, opisanih v specifikaciji 802.1AS. Ker se vse sprejemne naprave zavedajo povezave med STC in medijsko uro izvorne naprave (saj se nanaša na časovni žig RTP ali medij), lahko vsak sprejemnik rekonstruira kopijo RTP medijske ure izvorne naprave in se v skladu s tem ustrezno čaka. Transparent Cloching je tam, kjer lahko strojna oprema/UCODE prejemajo in prenašajo čim bližje vmesniku Mac/Phy. Medtem ko ta ura se ne uporablja za predvajanje, jo lahko uporabite za merjenje tresenja po celotnem sistemu in izvedbo popolne analize zmogljivosti.
Primer pametnega domačega zvočnega sistema
Če želite razumeti IoT zvok v kontekstu, razmislite o pametnem domačem primeru in v vlogi, ki jo lahko igra zvok pri izboljšanju celotne funkcionalnosti pametnega domačega sistema. Dom postane pameten dom, ko lahko naprave in naprave v njem komunicirajo med seboj in ljudi, ki tam živijo. S povečanjem naše medsebojne povezanosti pametni domovi izboljšujejo našo kakovost življenja in povečujejo našo varnost.
Eden glavnih primerov uporabe zvoka v pametnem domu je shranjevanje in skupno rabo zvoka prek Wi-Fi ali Bluetooth. Izbira Wi-Fi-a nad BLE se razlikuje glede na aplikacijo in je odvisna od zahtev glede kakovosti obsega in zvoka. Na primer, domači krmilnik lahko v vsaki sobi hiše predvaja določen zvok, če nekdo zazvoni na vrata na vratih, namesto da bi v en del hiše le priključil zvonec. Podobno lahko krmilnik zvok omeji na določene prostore, na primer ne v vrtcu za dojenčke. Vgrajeni krmilniki pomagajo obdelati ta zvok in narediti sistem pametnejši z upravljanjem različnih funkcij nadzora izhoda.
Zvočni sistemi predvajanja
Zvočni sistemi so postali pomembna aplikacija na zvočnem trgu. Brezžični sistemi za predvajanje zvoka so v središču pametnega doma, združujejo veliko različnih pametnih naprav v domu in sprejemajo inteligentne odločitve v imenu uporabnika. Na primer, zvočni sistem lahko nadzira vzorce osvetlitve v hiši, ki temelji na glasbi, ki se trenutno predvaja. Za branje uporabniških obvestil ali e-poštnih sporočil lahko uporabi tudi pretvorbo besedila v govor. Uporabniki imajo tudi možnost ustvarjanja con v avdio sistemu z več sobami z uporabo omrežnih zvočnih naprav, kot so brezžični zvočniki v različnih prostorih hiše. Ta pristop ustvarja celoten ekosistem, s katerim zagotavlja, da dom vedno deluje pri največji učinkovitosti, hkrati pa zmanjšuje interakcije z ljudmi, ki tam živijo. Za ustvarjanje takšnega ekosistema morajo oblikovalci IoT izbrati vgrajen mikrokontroler s pravimi zmogljivostmi in zvočnimi funkcijami, ki so optimizirane za IoT aplikacije.
Učinki digitalne obdelave signalov
Obdelava zvočnih signalov v digitalni domeni je pomemben del katerega koli zvočnega sistema pred prenosom zvočnih podatkov na brezžično povezavo. Ta obdelava običajno vključuje merjenje, filtriranje in/ali stiskanje zvočnega analognega signala. Vgrajeni MCUS z integrirano funkcijo DSP omogočajo učinke, kot sta dodajanje digitalnega mešalnika in podpora za funkcije daljinskega upravljanja. Z izenačevalnikom pasu 5- za vsak kanal lahko predvajanje zvoka spretno integrirate z večino aplikacij za sekvence, da ustvarite močan studijski sistem.