毫无疑问，语音控制扬声器，也就是常被叫做智能音箱的事物，它是一种很热门的消费类产品。按照市场调研公司给出的数据来看，在2017年的时候，有3560万美国消费者，每个月最少都会使用声控设备，而且这个数字是以接近50%的复合年均增长率在增长。
对于未来市场的预测呈现出比较乐观的态势，预测显示，到2022那年，在大多数的美国家庭里边，将会装配Echo、Home、Apple以及Sonos One等智能设备，他们还做出预测，预计将于家中安装至少其中一种智能音箱的家庭数量会达到7000万，而设备安装的总数量将会超过1.75亿台，对于一个在2014年11月之前尚且根本不存在的产品类别来讲，这样的情况是尤其令人印象深刻的。
可是，跟那和互联网接口一块儿结合着用的麦克风以及扬声器比起来，这些外表看上去好像挺简单的设备，通常来讲会更复杂一些。智能音箱涵盖了好多电子功能，而这些功能全是通过去采用数十种复杂的集成电路，也就是IC来达成的。原始设备制造商，也就是OEM是以差异化产品进到智能扬声器市场中的，他们得决定究竟要提供哪些设备，又该怎么去进行提供，还有在这类小型低功耗设备当中能够采用的折衷方案。
智能音箱实际能起到些什么作用呢？怎样在家庭里使用智能音箱呢？简单来讲，智能音箱先捕捉终端用户发出的语音指令并把它转为数字形式，接着把转变后的结果传送给依靠网络连接的云服务去解读，之后依据操作指令或者响应结果对终端用户作出回应。智能音箱还能够从拥有网络或者适配连接的设备那儿搜索并播放音频内容。就像图1呈现的那样，目前好多智能音箱能够和家中的其他设备展开交互，像灯、门锁以及温度控制系统等等。
有这样一类存在，其身为智能家居集线器，它们得具备这样的属性，即为家庭里的那一套完整的智能设备，给予精准无误的语言识别功能，还要达成连接的作用。
OEM厂商不只是单纯期望其产品在此环节显得极为突出夺人眼球，更重要的重点在于，它们谋求设法凭借此来得到房间的相关信息，甚至还要争取到整个住宅的信息，进而掌控信息访问和信息传输的主导权，最终达成成为特定的数字化媒体以及家庭自动化集线器的重大目标。
让智能音箱成为现实
智能音箱达成能正常且出色地运行的状态，得借助大量电路方可实现。要达成这个目标，我们就得拥有一连串繁杂的模拟、数字、混合信号以及电源管理子系统、接口等等，且要使它们达成互连（图2）。
图 2.TI 智能音箱系统方框图
在此之外，我们存在着诸多设计问题有待去解决，比如麦克风应当采用怎么样的数量与类型，音频输出以及扬声器需要采用何种数量和类型，电源管理该采用怎样的数量和类型，用户界面的数量还有类型是应该如何选取，无线连接要采取怎么样的数量与类型。对于OEM厂商来讲，关键问题就是要不要采用“黑盒”芯片组，这里面涵盖了用于音频解码以及信号处理的片上系统（SoC），还有集成Wi-Fi和蓝牙无线电的微控制器（MCU）。有时候，这还包含自定义电源管理IC（PMIC）。然而，这样的“罐装”式解决办法没办法给产品差异化提供太多的设计空间。现在就让我们一起来看看智能音箱系统中的设计领域和挑战。
麦克风
当进行麦克风技术的选择之际，关于每种技术所具备的利跟弊，或许并不是十分显著。针对这种情况而言，我们能够挑选下面所示的随便一种方案。
围绕微电子机械系统也就是 MEMS 构建的“模拟”麦克风，它具有集成前置放大器，还配备外部 24 位音频模数转换器即 ADC，能够把格式化数字代码输出至 SoC。
有着基于MEMS的“数字”麦克风，它带单比特一阶Δ - Σ调制器ADC，能输出脉宽调制 （PDM） 数字比特流，要进一步滤波用以创建格式化数字代码。不管是专门用以语音识别的SoC，还是数字信号处理器 （DSP） 都得处理这种滤波。独立的语音DSP能减轻SoC的诸多处理工作，可是也会增添成本。
数字麦克风价格相较于模拟麦克风更贵，然而模拟麦克风的SoC前端需额外配备ADC。因传感器尺寸要适配麦克风封装内的ADC，加之集成ADC本身受性能限制，同带有单独ADC的模拟麦克风相比，数字麦克风的信噪比（SNR）较低，动态范围较小。常见数字麦克风的SNR约为65dB，动态范围约为104db。当ADC被集成起来之后，我们没有办法借助滤波以及过采样的方式，进一步去提升SNR或者动态范围了。
另一方面，模拟麦克风与外部ADC相结合，其SNR，或者说动态范围，这两者在ADC里意义等同，可高达 120dB。这种外部ADC通常是24位多通道高音频ADC，采用具备高过采样功能的三阶或四阶Δ - Σ调制器。它们还集成了复杂的可编程数字抽取滤波器；拥有可配置自动增益控制功能的PGA以及用于额外噪声过滤和均衡的微型DSP。在典型的拥挤房间内，或者在正在播放音乐的房间内，声音级别容易达到60dB，除非终端用户靠近麦克风，或者采用更多麦克风，使指令远高于环境音，否则数字麦克风较低的动态范围，可能致使语音指令无法正确识别，需认真考虑将动态范围从104dB提升至120dB带来的惊人效果。若将动态范围提高6dB，就能让语音识别范围扩大一倍。在特定的一些时候的情况下，过度性地去增大动态范围是不符合实际状况或者是没有用处的，不过您能够凭借这个来获得增添更多的设计的空间资源。额外增添了14dB的动态范围之后，您能够通过降低所需要用到的麦克风的数量来节省成本支出。增添了字麦克风之后，除了会造成成本的增加之外，系统还会依据SoC自身所具备的可用的PDM输入数量，把每一对麦克风的三条信号迹线也就是数据以及时钟路由到SoC那里，从而进一步增加了布局的复杂程度，所以这是不具备可行性的。实际情况是，每一条信号的迹线，都会接纳以及或者辐射出噪声，而这会致使电磁干扰变成更为严重的问题 ，运行到每一个数字麦克风的时钟线路，会引发路由以及抖动方面的难题 ，当前模拟麦克风拥有不一样的输出，能够支持对于信号布线的共模抑制 ，ADC还为每个麦克风给予偏置电源，能够为阵列减少电源树的复杂性。
图 3.圆形麦克风板参考设计
利用配备精密 ADC 的模拟麦克风，能够扩大麦克风的范围，并且提高其敏感度，不但能够降低成本以及复杂性，还能够显著减少在各类噪声环境下指令识别的错误。随着第二代智能音箱的推出，这一错误率将会逐渐成为一项重要的市场方面的优势。
在运用多麦克风设计以及语音识别之际，我们也不需要再次进行设计。基于 的TI圆形麦克风板（CMB）参考设计也就是图3所展示的那样，使用两个4通道音频ADC把一组模拟麦克风（多包含八个）连接起来，并且能够在喧闹嘈杂的环境当中提取清晰的用户语音指令。
扬声器放大器和电源
扬声器放大器方面，您得在输出功率上权衡，其通常处于5W至25W之间，还要权衡功耗，以及热性能，还有尺寸，以及扬声器保护，另外也得权衡声音保真。
具备一个中程高频扬声器以及低音扬声器的简易扬声器系统，能够产生出色的音质，与此同时，要是结合运用的音频处理技术，多个扬声器能够提供360度音频体验。
你也能够挑选去执行，能够用来调整且能以某种方式去匹配扬声器频谱特性的性室内校准，又或者是采用更为复杂的自适应调节办法，去补偿声区内的音效。TI控制台图形开发套件能够给出简单的性调优，并且达成出色的效果。
对于功耗以及热性能而言，有一种能降低持续功耗的办法，那就是把放大器脉宽调制方案和自适应电源合并起来，以此降低扬声器的电源需求；在此其中，这种技术针对D类输出采用可变（并非固定）的开关频率，并且依据音频内容来改变频率；换而言之，音频内容越多，开关频率便越高；音频内容越少，开关频率就越低。
在致力于促使效率得以提升的情形下，您同样能够依据内容对放大器的输出电源电压实施动态调整。这样一种技术被称作包络跟踪。即在当出现音乐有提高功率需求的状况时，它会针对音频内容展开跟踪，进而提高电压（也就是输出功率），尤其是在重低音的部分（此部分信号内容存在诸多峰值）。
为数字输入、D类、IV感应音频放大器的立体声评估模块参考设计（如图4所示），它不仅能接受多种格式的数字输入，还可提供高质量音频，其D类拓扑包含其他功能，能够以特定方式降低多个输出级别的功耗，且不会降低保真度和性能。
图 4.立体声评估模块参考设计
电源管理
和多数电子系统相同，电源管理于系统设计里起着重大作用，我们最终的目的是高效地供应电源来降低热耗散，进而达成外形更小、成本更低的系统，并且延长便携式系统的电池运行时长。系统级芯片和无线保真芯片组有时会跟专用电源管理集成电路绑定一块，然而您或许还是会更偏向于透过运用单独的直流至直流转换器、低压降稳压器以及电压监控器来调整功能像定序，改变电路板布局，并且降低噪声和或者成本，以此来扩充电路板布局空间，还能提升分立式实现的供应商灵活性。
除了由固定的集成解决方案所提供的功能，比如以相对低的静态电流进行运行，或者运用较高的开关频率，如从1.4MHz至4MHz之外，您或许还期望对设计加以优化缩减占用空间，以此满足对于更小电感器的需求 , 或者您能够采用脉冲跳跃或ECO模式在轻负荷状况下节省电力，与此同时，请别把音频频带切换至20kHz以下，因为这可能引发可闻噪声。另外，您可能还需要系统输入电压拥有灵活性。这些放大器所需电源为12V至24V，此电源能够经由内部电源予以提供，也能够借助外部电源适配器来提供。
内部交流或直流电源能够提供主电源，然而输出电压是12V或者5V的外部交流或直流壁式适配器在实际中更为常用，这具体是依据所需的扬声器电源来定的。主电源可以借助适用于低功率扬声器的微型USB接口来提供，也能够通过适用于高功率扬声器的新型流线型USB Type-C来提供，以此取代笨重的传统壁式交流或直流适配器以及桶形插座。因为这些适配器的功率等级不一样，运用USB Type - C，得从扬声器到适配器有某种程度的握手，或者要用到输入USB电流限位开关，又或者采用带有集成式过流以及过压保护的电池充电器。
关于便携式音箱，有一种名为电源路径管理的技术，它支持借由外部交流/直流壁式适配器给电池充电，与此同时，还能经由一个集成式调节器为扬声器“实时”充电。要是您有更高的扬声器放大器电源轨需求，比如说 12V 或者 18V，一种办法便是采用两节 8V 电池，而后依据扬声器放大器的需求来提升电压。要是适配器输出电压是5V，那电池充电器就得把输入电压提升到更高的电池电压，而且，对于扬声器放大器电源轨，得用额外的升压转换器，以此在峰值功率状况下达成更高电压。另外，便携式智能音箱系统必须有低待机功耗等级以及有效的降压转换器，从而在电池作为电源时，于充电周期之间能提供更长运行时间。
音箱为此类主要构成是电源及消耗电能以实现低电力消耗设计的设备，该设计具备成本效益且和放大器需求紧密关联。适用于那些和音频功率放大器相关的电源可实现具有性价比的低功耗打造就是包络追随后能够跟踪电源参考设计（好比图5向各位呈现那样），算是呈现出的此类解决方案中一个挺出众的范例，那个电源依照5.4V至8.4V输入进去给电压轨进行运作，同时给8Ω负载供给2×20W电力（借助7.2V电源轨达成）。而且，它能够依据音频信号的峰间包络去变更输出电压，进而在输出电压范围之内维持高效率。所以，它依据音频内容的动态情况，对功率放大器的电源进行调整，进而实现对其功耗的优化。
图 5.包络跟踪电源参考设计
用户界面
对于提供何种类型的用户界面，您得依据所需的终端用户体验来做决定，因为人机界面可是智能音箱市场差异化的一个关键因素。这种界面呢，有可能涵盖成本较低的简易按钮以及单指示器LED，再者是旋转LED阵列，还有小型LCD显示屏，另外还包括具备触控输入以及触觉反馈功能的LCD显示屏。
LED基本是用来指示状态的，近来也被用于通过生成各种图案的动态颜色来提升终端用户体验。较为简单的系统或许会使用单色LED，不过大部分系统采用的是红、绿、蓝（RGB）LED。要是您挑选多色LED，那就得确定要用多少个RGB LED，以及系统处理器、MCU或者装配有集成式LED引擎的新型多LED驱动器会不会对它们进行控制。每一种选择都要权衡成本、电源以及系统方面的考量。借助集成式LED图形引擎，在处理器管控图形产生之际，能够减轻它的负担，并且在处理器或者MCU步入低功耗待机模式之时，可对RGB LED阵列予以驱动。
在图6呈现的情形下，各类LED环形灯照明图案的参考设计向我们表明了，怎样借助装有集成式LED引擎的新型多通道RGB LED驱动器，去设计多色RGB LED环形灯图形子系统，环境光传感器IC的加以运用能够自动控制LED亮度。
图 6.各种LED 环形灯照明图案参考设计
虽相应面板按钮价格或许很低，然其更易出现机械故障且仅具单一功能，此按钮需终端用户“按住”才可执行操作（向上、向下、滚动），于智能手机领域，该操作已然过时且有悖于常规使用习惯，相较之下，电容式触控的敏感表面能支持更多交互且可增强用户界面功能，此触控方式的表面无需物理外力便能检测到终端用户的接近，且支持背光在黑暗环境中更便于使用。不同于简单的按压，触控敏感表面能支持“轻滑”或者“旋转”，借此让用户更轻易地接触到熟悉的界面，进而使智能音箱得以脱颖而出。设计了合理规格以及相关组件配置后其实现了此类功能的电容式触控控制器，能够在诸如塑料、玻璃或者呈现为金属质地的各种材料表面上面得以顺畅运行，并且达成了可以与音箱外壳那呈现出来对外的表面保持齐平的状态。
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的评估系统，是一种易于使用的系统，它由基于手势的电容式触控扬声器界面参考设计给出，此参考设计将点击、轻滑、滑动和旋转手势予以支持，其参考设计如图 7 所示。
无线连接
有一个基本的，于开箱时使用的问题。在其未能连接至互联网的状况下，智能扬声器是不能够正常发挥功用的。鉴于速度方面的要求以及功率局限的因素，我们会给您给出就连接方式而言的设计决策。
可供常见的智能音箱借助Wi-Fi径直连接至互联网，于此情形下，IEEE 802.11n的宽带充裕有余，它还对多室无线扬声器网状连接予以支持。然而，Wi-Fi功率放大器会耗费颇多功率，这或许会对电池供电的智能音箱运行时间加以限制。所以，支持Wi-Fi连接的音箱通常直接插入壁装电源插座或者装有支持持续运行的交流适配器。
用户常常期望运用多个智能扬声器装置，以此尽可能多地覆盖房间或者提升立体声音质，为达成此举就需要借助IEEE 802.11n/s的宽带支持去形成网状网络。在网状网络内，是存在任何一个扬声器均能够在别的扬声器用作从属方之际成为主控方（接入到云）这种情况的。要是作为主控方运行的扬声器出现断电或者断网状况，网状网络会自动指派其他扬声器来充当主控方。而在多扬声器网状网络当中，存在的问题是同步。
那些处于网状网络里头的Wi-Fi控制器，得拥有能确保可靠状态的同步方案才行，这样一来，才可以防止给用户造成困扰从而最终避免带来麻烦。
可能会把Wi-Fi云连接转移到附近移动设备上的，是电池供电的便携式音箱。若要连接移动设备来达成间接云连接，和/或收听移动设备上存着的内容，那就得使用传统蓝牙，就是蓝牙基本速率，来达成持续连接，从而对流音频内容进行传输处理。这是因为低功耗蓝牙有宽带限制以及电源方案才这样的。当跟传统蓝牙一块使用时，低功耗蓝牙能够控制设备间的通信。
现在，家庭自动化是在好多家庭里以单独实体形式存在的又一功能，其作为一种独立集线器，能借助Wi-Fi连接到互联网，还能依据?，、、Z-wave等标准实施家庭自动化从而设置无线网状网络，进而与专用灯具以及恒温器完成链接。有了这个附加独立集线器，智能音箱就能恰当地宣称通过互联网来提供家庭自动化了。
图 7.基于手势的电容式触控界面参考设计
然而，为使终端用户不必购置这种额外的无线集线器，智能音箱能够简便地增添带有集成式射频功率放大器的多频带无线MCU，进而变身成家庭自动化集线器。无线MCU处理协议栈操作，并且控制无线电，防止加重现有SoC或Wi-Fi网络处理器的负担，与此同时支持经由常用的远距离家庭自动化协议（涵盖2.4GHz以及低于1GHz的频带）来开展通信。之所以您要借助作为集成式部件的无线 MCU 里所内置的硬件与软件相搭配的方式来保证 Wi-Fi 与蓝牙这两者能够共同存在，是由于 Wi-Fi 以及蓝牙同样运用 2.4GHz 频带。
展望未来
日益发展的未来智能音箱势必不会仅仅是单纯用于音频播放的独立电子产品，平板电视因愈发轻薄，这就表明所需扬声器会更小，而这无疑会对电视发出的声音造成负面效应，所以，能够增强平板电视音效的条形音箱会日益广泛地被使用，很明显，给条形音箱增添语音识别功能乃是它进一步发展的后续步骤。
为达成这一愿景，智能条形音箱得包含用于无线视频流的机顶盒，且仅用一条HDMI电缆连至电视，电视被用作巨大的显示器来用。因平板电视更轻薄，电视控制线路与电源能在智能条形音箱里实现。接着，智能音箱与智能条形音箱会竞相成为整个家庭娱乐系统的集线器。添加家庭自动化连接后，这些设备同样都会竞相成为智能家居的自动化集线器。
还有一个新增加的功能，是智能音箱显现屏幕，往智能扬声器上加入显示屏，属于往其功能方面自然的拓展，就像汽车里面，持续增添中控台显示屏这般，消費用户同样会要求家庭信息化以及娱乐设施，给出额外的视觉等方面的感受，我们能够看到的还有，内容的申请以及展示形式会和手持的智能手机或者平板电脑使用者感受不一样，因为语音指令是申请内容还有操控的主体样式，所以我们进而要运用简化的搜索以及操控应用，用以促使快速获取精确的成果。此外呢，我们能够把显示的图像予以简化，将对触摸交互的需求实施降低，与此同时，还会给出适合远距离观看的超大图像。
这会给出清晰的视觉方面的内容，致使消费者于进行智能音箱交互期间能够获得更为愉快的体验。
凭借这种新增加的显示功能，智能音箱能够在客厅处于落后地位于智能条形音箱，可以朝着客厅之外的区域进行专注。智能音箱能够供应小型个人显示屏，从集成式LCD屏幕一直到大型超短距高清投影，利用TI DLP?技术来对任何表面创建大型显示屏。在厨房或者起居室周边等同类型高流量区域所在的智能设备必需更美观而且不受到干扰。增添一个平板电脑尺寸或者更大的平板显示器一直都并非全都符合这些标准。有这样一种情况，当用户借助智能音箱去获取各类信息，像是天气、烹饪、交通等方面的信息，并且针对匿名声音做出相应表情的时候，投影显示技术能够提供一种更具互动特质的体验。在这种情形下，智能音箱于家庭里所起到的作用以及其重要性，就会持续地发生变化，不断地向前发展。如此一来，便会给设计师带来全新的趋势，还给予其让设计变得与众不同的机会。
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