智能音箱的发展前景：未来将不是仅供音频使用独立设备_权威动画电影分析最新消息 由于平板电脑电视更为轻薄

　　导读：前方的智能音箱将不只是仅供音频使用的独立设备。由于平板电脑电视更为轻薄，意味着需要更小的扬声器，这将会对电视声音形成负面作用。所以，可增强平板电脑电视音效的权威动画电影分析条形音箱将日渐使用。添加语音确认特性很显然是条形音箱进展的下一步。



　　毋庸置疑，语音控制扬声器（常称为智能音箱）是一种热门的消费类商品。

　　依据行业调研企业eMarketer 的资料显示，2017 年，3,560 万美国消费者每个月至少使用一次声控设备，并且该数字以近 50% 的复合年均增长率增长。

　　前方的行业预测也较为乐观。Juniper Research 预测，到 2022 年，大多数美全国人中都将部署Amazon Echo、Google Home、Apple HomePod 和Sonos One 等智能设备。他们还预测，将会有7,000万家人在家中部署至少其中一种智能音箱，设备部署总量将超过 1.75 亿台。针对一个在 2014 年 11 月之前还不存在的商品类别来说，这尤其令人印象深刻。

　　但相比于与互联网接口结合使用的麦克风和扬声器， 这些外形看似简易的设备往往更繁琐。智能音箱包含许多电子特性，这些特性均经由使用数十种繁琐的集成电路(IC) 来做到。原始设备制造商 (OEM) 凭借差异化商品进入智能扬声器行业，他们必须确定要提供哪些设备、如何开展提供以及此类小型低功耗设备中可使用的折衷计划。

　　智能音箱的实际作用有哪些？如何在家人中使用智能音箱？简而言之，智能音箱先是经由捕获终端使用者的语音指令并将其数字化，再将结局传输给基于联网连接的云办事开展确认，然后经由操控指令或响应结局对终端使用者做出响应。智能音箱也可以从具备联网或Bluetooth? 连接设备检索并播放音频信息。如今许多智能音箱都可以与家中的其他设备交 互，如灯、回顾开箱体验汇总门锁和温度控制操控系统等。

　　OEM 品牌方不单单只是期盼他们的商品在这一过程中能够脱颖而出；更多的是，它们期盼以此获取房间，甚或是全部住宅的信息访问和传输的控制权，从而变成唯一的数字化传媒和家人自动化集线器。

　　让智能音箱变成现实

　　智能音箱需要众多电路才能做到其正常并良好地运 行。要做到这一目标，我们便需要一系列繁琐的模拟、数字、混合通讯和电源治理子操控系统、接口等，并让其做到互连。

　　除此之外，我们还有许多设计难题需要解决，如麦克风、音频输出和扬声器、电源治理、使用者界面以及无线连接应使用何种数量和类型。针对 OEM 品牌方来说， 首要难题便是是否使用“黑盒”处理器组，其中含有用于音频解码和通讯处理的片上操控系统(SoC)、集成 Wi-Fi?和无线无线电的微控制器(MCU)。有的时候，这还含有自定义电源治理IC (PMIC)。但是，这种“罐装”式解决计划不能为商品差异化提供太多设计空间。如今就让我们一起来看看智能音箱操控系统中的设计领域和考验。

　　音频解码和通讯处理的片上操控系统(SoC)、集成 Wi-Fi?和无线无线电的微控制器(MCU)。有的时候，这还含有自定义电源治理IC (PMIC)。但是，这种“罐装”式解决计划不能为商品差异化提供太多设计空间。如今就让我们一起来看看智能音箱操控系统中的设计领域和考验。

　　麦克风

　　挑选麦克风技术时，每种技术的利与弊或许并不显著。对此，年底关注开箱体验，这才是真相我们可以挑选以下任意一种计划：

　　基于微电子机械操控系统(MEMS) 的“模拟”麦克风。它带有集成前置放大器，搭配外部 24 位音频模数转换器(ADC)，可将格式化数字代码输出到 SoC。

　　基于MEMS 的“数字”麦克风。它带有单比特一阶Δ-Σ 调制器ADC，可输出脉宽调制 (PDM) 数字比特流，需要进一步滤波以兴办格式化数字代码。不管是专用于语音确认的SoC ，还是数字通讯处理器(DSP) 都必须处理这种滤波。独立的语音 DSP 可减轻SoC 的众多处理岗位，却也会增多成本。

　　数字麦克风的售价比模拟麦克风更昂贵，但模拟麦克风的 SoC 前端也将需要额外配有的 ADC。鉴于传感器尺寸需适应麦克风封装内的 ADC 以及集成 ADC 本身的表现限制，与带有单独 ADC 的模拟麦克风较为起来，数字麦克风还具有较低的信噪比 (SNR) 和较小的动向范围。普遍的数字麦克风的 SNR 约为 65dB， 动向范围约为 104db。当 ADC 集成后，我们就无法经由滤波和过采样进一步提升 SNR 或动向范围。

　　另一方面，模拟麦克风与外部 ADC 相结合，其 SNR 或动向范围（两者在 ADC 中的价值等同）可高达120dB。这种外部 ADC 通常是 24 位多通道高精度音频ADC，使用具有高过采样特性的三阶或四阶 Δ-Σ 调制器。它们还集成了繁琐的可编程数字抽取滤波 器；具有可参数的自动增益控制特性的 PGA 以及用于额外噪声过滤和均衡的微型DSP。假如在典型的拥挤房间内或正播放音乐的房间内，周围生态中的声音级别很轻松达到 60dB，除非终端使用者靠近麦克风或者使用更多的麦克风来使其指令远高于生态音，否则，数字麦克风的较低动向范围就或许导致无法正确确认语音指令，动向范围从 104dB 提升至120dB，将会带来惊人的效果，这需要我们认真考虑。假如我们将动向范围提升6dB，那就可以让语音确认范围拓展一倍。夏季聚焦节目录制在某些时候，过多地拓展动向范围是不切实际或是无用的，但您也可以凭此获取更多的设计空间。额外增多 14dB 的动向范围后，您可以经由缩减所需的麦克风数量来节约成本。增多字麦克风后，除了会增多成本外，操控系统还会按照 SoC 自身可用的PDM 输入数量将每对麦克风的三条通讯迹线（资料和时钟）路由到 SoC，进而增多了布局繁琐性，所以 这是不可行的。事实是，每条通讯迹线都会接纳和/或 辐射噪声，这会让电磁干扰变成更大的难题。最后，管理至每个数字麦克风的时钟线路会导致路由和抖动方面的难题。当下模拟麦克风具有各异的输出，扶持对通讯布线的共模抑制。ADC 还为每个麦克风提供偏置电源，可为阵列下降电源树的繁琐性。

　　使用配有精密ADC 的模拟麦克风可以拓展麦克风范围并提升敏感度，不只可以下降成本和繁琐性，还可以显著缩减在各类噪声生态下指令确认失误。随着第二代智能音箱的启动，这一失误率将逐步变成一项重大的行业长处。

　　在使用多麦克风设计和语音确认时，我们也无需重新设计。基于PCM1864 的TI 圆形麦克风板(CMB) 参考设计（如图 3 所示）使用两个4通道音频ADC 与一组模拟麦克风（最多含八个）连接，并且可以在嘈杂的生态中提取清晰的使用者语音指令。

　　扬声器放大器和电源

　　针对扬声器放大器，您需要在输出功率（通常介于5W 和 25W 之间）、功耗、热表现、尺寸、扬声器保护以及声音保真之间开展权衡。

　　带有一个中程高频扬声器和低音扬声器的简易扬声器操控系统可以形成出色的音质，另外，假如结合使用新近的音频处理技术，多个扬声器可提供 360 度音频感受。

　　您也可以挑选执行一次性室内校准以改动并以最佳方式匹配扬声器的频谱特性，或者使用更繁琐的自适应调节方法补偿声区内的音效。TI PurePath 控制台图形开发套件可以提供简易的一次性调优并达到出色的效果。

　　在功耗和热表现方面，下降持续功耗的一种方法是将放大器脉宽调制计划与自适应电源相结合来下降扬声器的电源请求。这种技术对D类输出使用可变（非固定）开关频率，另外基于音频信息更改频率。也就是说，信息越多，开关频率就越高；信息越少，开关频率就越低。

　　以便提升效率，您也可以依据信息动向改动放大器的输出电源电压。这种技术称为包络跟踪。它仅在音乐需要提升功率时跟踪音频信息并提升电压（输出功率），尤其是在重低音若干（通讯信息中有许多峰值）。

　　数字输入、D 类、IV 感应音频放大器的立体声评估模块参考设计不只接纳各式格式的数字输入并提供高品质音频，其 D 类拓扑还含有其他特性，可以最大程度地下降多个输出级别的功耗，而不会下降保真度和表现。

　　电源治理与大若干电子操控系统一样，电源治理在操控系统设计中发挥着重大作用。我们的最后目标是有效地提供电源以减 少热耗散，从而做到外形更小、成本更低的操控系统，并延 长便携式操控系统的电池管理时间。SoC 和Wi-Fi 处理器组有时与专用PMIC 绑定在一起，但您仍或许会更倾向于经由使用单独的直流/直流转换器、低压降稳压器和电压监控器来更改特性（如定序）、更改电路板布局 并下降噪声和/或成本，来增多电路板布局空间并提升分立式做到的供应商灵活性。

　　除了固定的集成解决计划提供的特性（例如以较低的静态电流管理或使用较高的开关频率（如 1.4MHz 至4MHz）以外，您或许还期盼完善设计来下降占用空 间，以满足对更小电感器的需求。或者您也可以使用脉冲跳跃或ECO 模式以在轻负荷下节省电力，另外， 请不要将音频频带切换到 20kHz 以下（这或许会导致可闻噪声）。另外，您还或许需要操控系统输入电压具备灵活性。这些放大器需要 12V 至 24V 电源，该电源可经由内部电源或外部电源适配器提供。

　　内部交流/直流电源可以提供主电源，但输出电压为12V 或 5V 的外部交流/直流壁式适配器更为常用，具体取决于所需的扬声器电源。可以经由适用于低功率扬声器的微型USB 接口或适用于高功率扬声器的新型的流线型USB Type-C? 来提供主电源，取代笨重的传统壁式交流/直流适配器和桶形插座。由于这些适配器的功率级别各异，使用 USB Type-C 需要从扬声器到适配器的某种级别的握手，或者使用输入USB 电流限位开关或具有集成式过流和过压保护的电池快充器。

　　针对便携式音箱，一种称为电源路径治理的技术扶持使用外部交流/直流壁式适配器为电池快充，另外经由一个集成式调节器为扬声器“实时”快充。假如您需要更高的扬声器放大器电源轨（如 12V或18V），一种挑选是使用两节8V电池，然后依据扬声器放大器的需要提升电压。电池快充器需要将输入电压提升到更高的电池电压（假如适配器输出电压为5V），并且您需要对扬声器放大器电源轨使用额外的升压转换器，以在峰值功率的条件下做到更高的电压。另外，便携式智能音箱操控系统必须具有低待机功耗等级和有效的降压转换器，以做到在电池是唯一的电源时，可在快充周期之间提供更长的管理时间。

　　由于音箱是首要电源消耗设备，所以与其放大器需求紧密有关的电源可做到具有成本效益的低功耗设计。适用于音频功率放大器的包络跟踪电源参考设计（如图 5 所示）就是此类解决计划的一个很好的示例：它以 5.4V 至 8.4V 的输入电压轨管理，并向 8Ω 负载提供 2 × 20W 功率（使用 7.2V 电源轨）。另外，它可以按照音频通讯的峰间包络更改输出电压，从而在输出电压范围内维持高效率。所以，它依据音频信息动向 改动功率放大器的电源，从而完善其功耗。

　　使用者界面

　　您必须依据所需的终端使用者感受确定提供哪种类型的使用者界面，由于人机界面是智能音箱行业差异化的一个首要因素。这种界面或许含有成本较低的简易按钮和单指示器LED、旋转 LED 阵列、小型 LCD 显示屏以及具有触控输入和触觉反馈特性的LCD 显示屏。

　　LED 基础用于指示状态，最近也用于经由以各类图案生成动向颜色来提升终端使用者感受。较简易的操控系统或许使用单色LED，但大若干操控系统使用红、绿、蓝 (RGB)

　　LED。假如您挑选多色 LED，则需要确定使用多少个 RGB LED，以及操控系统处理器、MCU 或装有集成式LED引擎的新型多LED 驱动器是否会控制它们。每种挑选均需权衡成本、电源和操控系统方面的考量。使用集成式LED 图形引擎可以在处理器治理图形生成时减轻其负担，并在处理器或 MCU 进入低功耗待机模式时驱动RGB LED 阵列。

　　各类LED 环形灯照明图案参考设计说明了如何使用装有集成式LED 引擎的新型多通道RGB LED 驱动器设计多色RGB LED 环形灯图形子操控系统。使用生态光传感器 IC 可自动控制LED 亮度。

　　相应面板按钮的售价或许很低，但它们更轻松呈现机械故障且只具备单一特性。这种按钮需要终端使用者“ 按住”才能执行操控（向上、向下、滚动），在智能移动电话领域，这种操控已然过时且与有悖于常规使用习惯 的。相比之下，电容式触控的敏感表面可扶持更多交互并可以增强使用者界面特性。这种触控方式的表面无需物理外力即可测试到终端使用者的接近，并扶持背光在黑暗生态中更易于使用。与简易的按压各异的是， 触控敏感表面可经由扶持“轻滑”或“旋转”，让使用者更易于接触到熟悉的界面，从而能够让智能音箱脱颖而出。设计合理的电容式触控控制器可在各类表面，如塑料、玻璃或金属材质上管理，并且可以与音箱外壳表面齐平。

　　基于手势的电容式触控扬声器界面参考设计（如图 7 所示）提供了一种易于使用的评估操控系统，用于使用 TI 电容式触控MCU 的智能扬声器的多手势电容式触控界面。此设计扶持访问、轻滑、滑动和旋转手势。

　　无线连接

　　最后，还有一个基础的开箱使用难题。假如未连接到互联网，智能扬声器将无法正常岗位。考虑到速度请求和功率限制，我们将为您提供有关最佳连接方式的设计决策。

　　最普遍的智能音箱可经由Wi-Fi 直接连接到互联网。在这里，IEEE 802.11n 的宽带绰绰有余，它还扶持多室无线扬声器网状连接。可是，Wi-Fi 功率放大器会消耗众多功率，或许会限制电池供电的智能音箱的管理时间。所以，扶持 Wi-Fi 连接的音箱通常直接插入到壁装电源插座或装有扶持持续管理的交流适配器。

　　以便能够尽或许多的覆盖到房间或提升立体声音质， 使用者往往会期盼使用多个智能扬声器装置，这就需要IEEE 802.11n/s 的宽带扶持来做到网状联网。在网状联网中，任何一个扬声器均可以在其他扬声器用作从属方时变成主控方（连接到云）。假如身为主控方管理的扬声器断电或断网，网状联网将自动分配其他扬声器身为主控方。而在多扬声器网状联网中，最大难题是同步。

　　网状联网中的Wi-Fi 控制器必须具有可靠的同步计划，以避免为使用者带来麻烦。

　　电池供电的便携式音箱或许会将Wi-Fi 云连接转移到附近的移动设备上。假如要连接到移动设备以做到间接云连接和/或收听移动设备上存储的信息，则需要使用传统无线（或无线基础速率）来做到持续连接， 以对音频信息开展流处理，这是由低功耗无线的宽带限制和电源计划所致。当与传统无线合作使用时，低功耗无线可以控制设备之间的通信。

　　家人自动化是当下身为单独实体存在于许多家人中的另一个特性。身为一种独立集线器，它可以经由Wi-Fi 连接到互联网，也可以经由对家人自动化（依据

　　Zigbee、Thread、Z-wave 等规范实施）配置无线网状联网与专用灯具和恒温器做到链接。只要具备这一附加独立集线器，智能音箱就可以合理地亮相经由互联网提供家人自动化。

　　但是，以便让终端使用者无需采购这种额外的无线集线器，智能音箱可以简易地添加带有集成式射频功率放大器的多频带无线 MCU，从而变成家人自动化集线器。无线 MCU 处理协议栈操控并控制无线电，避免加重现有 SoC 或 Wi-Fi 联网处理器的负担，另外扶持经由常用的远距离家人自动化协议（含有 2.4GHz 和低于 1GHz 的频带）开展通信。由于 Wi-Fi 和无线也使用 2.4GHz 频带，所以您需要经由集成式无线 MCU 中内置的设备和使用的组合来确保两者共存。

　　展望前方

　　前方的智能音箱将不只是仅供音频使用的独立设备。由于平板电脑电视更为轻薄，意味着需要更小的扬声器，这将会对电视声音形成负面作用。所以，可增强平板电脑电视音效的条形音箱将日渐使用。添加语音确认特性很显然是条形音箱进展的下一步。

　　要做到这一愿景，智能条形音箱将需要包含一个用于无线影像流的机顶盒，另外仅有一条 HDMI 电缆连接到电视，电视则被身为巨大的显示器来使用。由于平板电脑电视更为轻薄，电视控制线路和电源也可以在智能条形音箱中做到。然后，智能音箱和智能条形音箱将争相变成全部家人娱乐操控系统的集线器。添加家人自动化连接后，这些设备也将争相变成智能家居的自动化集线器。

　　另一个新增特性是智能音箱显示屏。向智能扬声器添加显示屏是对其特性的自然扩展。正如汽车中不断增多中控台显示屏，消费者也请求家人信息化/娱乐设备提供额外的视觉感受。我们还可以目睹的是，信息的请求和显示方式将各异于手持智能移动电话或平板电脑计算机感受。由于语音指令是请求信息和控制的首要模式，所以我们将需要使用简化的检索和控制使用来合作高效获取精确的结局。另外，我们还可以简化显示的图像，下降对触摸交互的需求，另外还提供适合远距离观看的超大图像。

　　这将提供清晰的视觉信息，使得消费者在与智能音箱交互时可获取更愉快的感受。

　　凭借这种新增的显示特性，智能音箱便可以在客厅中让位于智能条形音箱，从而专注于客厅以外的区域。智能音箱可提供小型个人显示屏，从集成式 LCD 显示屏到大型超短距高清投影（使用 TI DLP技术在任意表面上兴办大型显示屏）。在高流量区域，如厨房或起居室附近的智能设备则需要更为美观且不受干扰。增多一个平板电脑计算机大小或更大的平板电脑显示器并不总是符合这些规范。在使用者经由智能音箱获取信息，如天气、烹饪、交通等以及对匿名声音做出表情时，投影显示技术可以提供更具互动性的感受。由此，智能音箱在家人中的作用和重大性便将不断转变和进展，从而为设计师带来了新走向和让其设计与众各异机遇。