El audio es una parte integral de muchas aplicaciones de IoT, incluidos productos de consumo, como altavoces y auriculares, dispositivos portátiles y dispositivos médicos (por ejemplo, audífonos), aplicaciones de automatización y control industrial, sistemas de entretenimiento y unidades de entretenimiento automotriz.
IoT Audio se puede clasificar ampliamente en tres tipos: transmisión (es decir, música, voz y datos), reconocimiento/comandos de voz y inalámbrico a través de la conectividad Bluetooth y Wi-Fi (por ejemplo, transmisión de audio multicanal sobre Wi-Fi a un sistema de sonido envolvente en el hogar). Sin embargo, el diseño de subsistemas de audio acústico ininterrumpidos de alta calidad puede ser un desafío cuando los ingenieros deben adherirse a las limitaciones estrictas necesarias para los dispositivos basados en IoT.
Se requieren diseños más complejos para incluir características avanzadas como el reconocimiento de voz, como permitir que los conductores controlen el sistema de información y entretenimiento en su automóvil de la misma manera manos libres que un teléfono celular. Dado que el MCU está en el corazón de todos estos sistemas de audio, es importante seleccionar un MCU que integre las tecnologías de audio necesarias necesarias para diseñar un sistema de audio sin ruido confiable. Este documento explora las tecnologías de audio que se pueden utilizar para diseñar dichos sistemas.
Componentes de un subsistema de audio
IoT Audio implica tres actividades principales: voz/datos de alta calidad de Steam, transmisión inalámbrica y control de reorganización de voz. La Figura 1 muestra los bloques de construcción más importantes en un sistema integrado.
Este diagrama de bloques muestra los bloques de construcción más importantes del subsistema de procesamiento de audio
Tenga en cuenta que muchas de estas características pueden integrarse en MCU modernas, como el Cyw43907 de Cypress con Wi-Fi 802.11n integrado utilizado en este ejemplo. Algunas de las tecnologías de audio importantes que pueden incluirse en un sistema basado en IoT incluyen:
Aplicaciones musicales
Las MCU habilitadas en audio permiten a los ingenieros decodificar las transmisiones MP3/4 utilizadas por los reproductores multimedia más populares y los proveedores de contenido. Muchos diseños también deben admitir la decodificación de AAC de WMA y Apple, lo que requiere una potencia de procesamiento adicional. En las aplicaciones de audio de consumo, Audio MCU de bajo costo a menudo se puede utilizar administrando transmisiones de música digital desde accesorios de audio como conjuntos de altavoces digitales.
En estas aplicaciones, un marco de datos de audio PCM (encapsulados en un formato de clase de audio USB) llega cada 1 ms a través de uno de los canales seriales SPI/I²C del procesador. Dependiendo de la fuente, el flujo de audio puede llegar en uno de varios formatos (es decir, alineado a la izquierda, alineado a la derecha, I2, etc.). Sin embargo, algunos códecs de bajo costo solo pueden aceptar ciertos formatos. En estos casos, la MCU juega un papel importante para garantizar que los datos se alineen correctamente antes de que se alimente al códec.
Dado que no todas las fuentes de audio usan la misma velocidad de muestreo, el códec también debe adaptar su frecuencia de muestreo a la fuente o confiar en el MCU para convertir el flujo de datos muestreado a una velocidad de datos común (ver Figura 2). En estos casos, el MCU debe administrar la transmisión para evitar condiciones de subraperación o sobrecarga que puedan conducir a mudos, POP y discontinuidades de audio que pueden causar pérdida de datos e interrumpir la experiencia de escucha del usuario. Tenga en cuenta que el MCU de audio también se puede utilizar para implementar otras funciones del subsistema de audio, como el control de la iluminación durante la reproducción de audio.
El MCU de audio puede necesitar realizar la conversión de formatos, el ajuste de la frecuencia de muestreo y la gestión de la transmisión, así como admitir interfaces de usuarios de audio.
Para implementar audio en una amplia gama de aplicaciones, Audio MCU necesita admitir una variedad de tecnologías de audio. La Figura 3 muestra ejemplos de estas tecnologías de audio.
tecnología sólida
Códecs de audio
Los códecs de audio son el componente principal de un sistema de audio. Muchos MCU creados para aplicaciones IoT admiten la funcionalidad de códec en hardware. Esto permite que el sistema reduzca el tamaño de las muestras de audio digital para acelerar la transmisión inalámbrica (potencia de ahorro) y guardar espacio de almacenamiento (reduciendo la tensión en la capacidad de memoria interna). El códec puede admitir varios formatos estándar de audio como AAC, AC -3 y ALAC. Para hacerlo, requiere una unidad de acceso de decodificación (AU), que se implementa antes de cualquier procesamiento de audio (por ejemplo, DSOLA, SOLA). Cuando se usa con formatos de audio estándar como AAC, AC -3 y ALAC, el audio se clasifica de tal manera que las muestras de audio posteriores se encuentran dentro del formato prescrito especificado en el flujo de datos de paquetes de audio. El espaciado de paquetes también se gestiona para permitir un mínimo de fluctuación cruzada y una operación ininterrumpida en presencia de congestión. El tamaño de la carga útil de AU permite la ejecución de cualquier ocultamiento que debe realizarse.
Procesamiento de banda base
Una señal de banda base es el grupo fundamental de frecuencias en una forma de onda analógica o digital que puede procesarse mediante circuitos electrónicos. Una señal de banda base puede consistir en una sola frecuencia o un grupo de frecuencias o, en el dominio digital, un flujo de datos enviados a través de un canal no multiplexado. La banda base se define como la banda base (señal/segunda) mezclada con la señal portadora para producir una señal modulada. Tenga en cuenta que en MCU que admite Audio IoT, el códec de audio integra el procesamiento de banda base y RF en un solo chip. El códec de audio se puede implementar en una variedad de transceptores inalámbricos para proporcionar datos de voz y/o funcionalidad musical. El códec también presenta canales mono y estéreo para la salida de audio, así como entradas estéreo.
Pérdida de paquetes de ocultación y replicación de datos
La latencia excesiva, la pérdida de paquetes y la fluctuación de alta latencia pueden afectar la calidad de la comunicación. La probabilidad de pérdida repentina de paquetes aumenta con la carga de la red y da como resultado interrupciones que el usuario puede escuchar. La sólida transmisión de audio a través de Wi-Fi se puede mejorar con características avanzadas como la tecnología de ocultación de pérdida de paquetes de Cypress. La fuente/receptor de la arquitectura del sistema es la siguiente: una fuente captura el audio, multiplica los datos de PCM a través de la estructura de la secuencia RTP y sincroniza el reloj con todos los receptores conectados a la fuente PLC.
Tenga en cuenta que el rendimiento del enlace de comunicación depende de la calidad del rendimiento del presupuesto del enlace. Este presupuesto de enlace está determinado por tres factores: transmisión de potencia, transmitir ganancia de antena y recibir ganancia de antena. Por ejemplo, la comunicación confiable en una red 802.11 es posible si la potencia de la ruta del enlace menos la pérdida del espacio disponible es mayor que el nivel de señal mínimo recibido de la radio receptor (ver Figura 4).
El rendimiento de un enlace de comunicación depende de la calidad del rendimiento del presupuesto de enlace
Mejora de inteligibilidad del habla (SIE)
El ruido de fondo en el sistema de audio puede reducir la inteligibilidad del habla. Si el ruido excede un cierto nivel, el discurso puede ser difícil de entender para el usuario. La disponibilidad de reconocimiento de voz continuo en tiempo real en dispositivos integrados requiere un sistema que mejore la inteligibilidad del habla con problemas de ruido. Seleccionar un MCU que admite la portada y la optimización de un sistema de reconocimiento continuo de voz continuo (LVCSR) comúnmente utilizado puede simplificar el desarrollo.
Detección de frases de despertar
Esta característica avanzada permite a los usuarios encender el sistema con manos libres activando el dispositivo con su voz.
Multidifusión eficiente para uno o más altavoces
La multidifusión es un método de direccionamiento de red utilizado para enviar mensajes a un grupo de objetivos simultáneamente utilizando la estrategia más eficiente. Los mensajes se entregan solo una vez a través de cada enlace en la red, y las copias se crean solo cuando el siguiente enlace se divide a múltiples destinos, generalmente en conmutadores y enrutadores de red. Sin embargo, al igual que el Protocolo de datagrama del usuario (UDP), la multidifusión no garantiza la entrega de la secuencia de mensajes, lo que puede conducir a que se descarten los mensajes o la entrega de mensajes no organizados. La multidifusión confiable (RMC) proporciona reconocimientos para paquetes de multidifusión (solo paquetes) para que ciertos paquetes de multidifusión específicos se puedan entregar de manera confiable. El transmisor selecciona el receptor con el RSSI más débil para reconocer el marco. En un entorno IoT, implementar RMC significa que el transmisor Wi-Fi elige uno de los muchos receptores Wi-Fi para reconocer la recepción de cuadros. El transmisor selecciona el receptor con el RSSI más débil para reconocer el marco. La implementación utiliza un marco operativo que contiene elementos de información de RMC patentados para notificar y habilitar el reconocimiento. La implementación también contiene comandos de controlador Wi-Fi específicos de RMC para establecer la dirección MAC de multidifusión y habilitar y deshabilitar el RMC.
Para audio y video con retrasos de transmisión fijos y simétricos, se cumplen los requisitos de sincronización de tiempo; Por ejemplo, RMC puede confiar en un sincronización y sincronización altamente precisos para la transmisión suave de la celda a célula de datos de voz, video y móviles. Lograr el tiempo altamente preciso y preciso no es fácil desde un punto de vista técnico, por lo que es importante encontrar implementaciones que puedan verificarse para cumplir con los requisitos de la aplicación.
Formatos de encuadre, corrección de errores hacia adelante y replicación de paquetes
Para la transmisión de audio, es fundamental que el reloj esté sincronizado con todos los receptores Wi-Fi. Un enfoque es usar un reloj común para dispositivos de origen y receptor, a menudo llamado reloj de pared o reloj del sistema (STC). Primero, cada receptor (receptor) sincroniza su STC (reloj de pared) con el STC de origen/transmisor (reloj de pared maestra). Cada receptor ahora puede recuperar el reloj del transmisor porque la marca de tiempo insertada por la fuente (disponible en el encabezado extendido de cada paquete RTP) refleja el momento muestreado de los medios en relación con el reloj común.
El STC se basa en los valores del reloj Grandmaster descritos en la especificación 802.1AS. Dado que todos los dispositivos receptores son conscientes de la correlación entre el STC y el reloj de medios del dispositivo fuente (en lo que respecta a la marca de tiempo RTP o Media), cada receptor puede reconstruir una copia del reloj de medios RTP del dispositivo de origen y colocar su salida en consecuencia para una representación adecuada. El marcador transparente es donde el hardware/UCode puede los paquetes de marca de tiempo recibidos y transmitidos lo más cerca posible a la interfaz Mac/Phy. Si bien este valor de reloj no se usa para la reproducción, se puede usar para medir la fluctuación en todo el sistema y realizar un análisis de rendimiento completo.
Ejemplo de un sistema de audio doméstico inteligente
Para comprender el audio de IoT en contexto, considere el ejemplo del hogar inteligente y el papel que el audio puede desempeñar para mejorar la funcionalidad general de un sistema doméstico inteligente. Un hogar se convierte en un hogar inteligente cuando los dispositivos y los electrodomésticos pueden comunicarse entre sí y con las personas que viven allí. Al aumentar nuestra interconectividad, los hogares inteligentes están mejorando nuestra calidad de vida y aumentando nuestra seguridad.
Uno de los principales casos de uso para audio en el hogar inteligente es almacenar y compartir audio a través de Wi-Fi o Bluetooth. La elección de Wi-Fi sobre BLE varía según la aplicación y depende del rango y los requisitos de calidad de audio. Por ejemplo, un controlador doméstico puede reproducir un sonido específico en cada habitación de la casa si alguien toca el timbre en la puerta, en lugar de simplemente conectar la campana en una parte de la casa. Del mismo modo, el controlador puede limitar el sonido a habitaciones específicas, como no en una guardería para bebés. Los controladores integrados ayudan a procesar este audio y hacer que el sistema sea más inteligente al administrar diversas funciones de control de salida.
Sistemas de audio de reproducción
Los sistemas de audio de reproducción se han convertido en una aplicación importante en el mercado de audio. Los sistemas de reproducción de audio inalámbrico están en el corazón de la casa inteligente, reúnen muchos dispositivos inteligentes diferentes en el hogar y toman decisiones inteligentes en nombre del usuario. Por ejemplo, un sistema de audio puede controlar los patrones de iluminación en una casa basadas en la música que se está reproduciendo actualmente. También puede usar la conversión de texto a voz para leer notificaciones de usuario o correos electrónicos en voz alta. Los usuarios también tienen la opción de crear zonas en un sistema de audio de varias habitaciones mediante el uso de dispositivos de audio en red, como altavoces inalámbricos en diferentes habitaciones de la casa. Este enfoque crea un ecosistema completo para garantizar que el hogar siempre esté operando con una máxima eficiencia al tiempo que minimiza las interacciones con las personas que viven allí. Para crear dicho ecosistema, los diseñadores de IoT deben seleccionar un microcontrolador integrado con el rendimiento correcto y las características basadas en audio que se han optimizado para aplicaciones IoT.
Efectos de procesamiento de señales digitales
El procesamiento de la señal de audio en el dominio digital es una parte importante de cualquier sistema de audio antes de transmitir datos de audio a través de un enlace inalámbrico. Este procesamiento generalmente implica medir, filtrar y/o comprimir la señal analógica de audio. MCU integrado con funcionalidad DSP integrada permite efectos, como la adición de un mezclador digital y soporte para funciones de control remoto. Con un ecualizador de banda 5- para cada canal, la reproducción de audio puede integrarse inteligentemente con la mayoría de las aplicaciones de secuenciación para crear un poderoso sistema de estudio.