音頻是許多物聯網應用不可或缺的一部分，包括揚聲器和耳機等消費品、可穿戴設備和醫療設備（如助聽器）、自動化和工業控制應用、娛樂系統以及汽車信息娛樂單元等。

物聯網音頻大致可分為三類：流媒體（即音樂、語音和數據）、語音識別/命令，以及通過藍牙和 Wi-Fi 連接的無線（例如，通過 Wi-Fi 將多通道音頻流式傳輸到家庭環繞聲系統）。然而，當工程師必須遵守基于物聯網的設備所需的嚴格約束時，設計高質量、不間斷的聲學音頻子系統可能是一個挑戰。

更復雜的設計是需要包括語音識別等高級功能，例如允許駕駛員以與手機相同的免提方式控制汽車中的信息娛樂系統。由于MCU是所有這些音頻系統的核心，因此選擇集成了設計可靠無噪聲音頻系統所需的必要音頻技術的MCU非常重要。本文探討了可用于設計此類系統的音頻技術。

音頻子系統的組件

物聯網音頻涉及三個主要活動：蒸汽高質量語音/數據，無線傳輸和語音重組控制。圖1顯示了嵌入式系統中最重要的構建模塊。

［圖1|此框圖顯示了音頻處理子系統中更重要的構建塊。

請注意，其中許多功能可以集成到現代 MCU 中，例如，在本例中使用的具有集成 Wi-Fi 802.11n 的 Cypress CYW43907。基于物聯網的系統可能包括的一些重要音頻技術包括：

音樂應用

支持音頻的MCU允許工程師解碼大多數流行的媒體播放器和內容提供商使用的MP3/4流。許多設計還需要支持WMA和蘋果的AAC解碼，這需要更多的處理能力。在消費類音頻應用中，通常可以通過管理音頻配件（如數字揚聲器組）中的數字音樂流來利用低成本音頻MCU。

在這些應用中，一幀 PCM 音頻數據（封裝在 USB 音頻類格式中）每 1 ms 通過處理器的 SPI/I2C 串行通道之一到達一次。根據來源的不同，音頻流可能以幾種格式之一到達（即左對齊、右對齊、I2S 等）。但是，某些低成本編解碼器只能接受特定格式。在這些情況下，MCU在確保數據在饋送到編解碼器之前正確對齊方面發揮著重要作用。

由于并非所有音頻源都使用相同的采樣速率，因此編解碼器還必須使其采樣頻率適應源，或者依靠MCU將采樣數據流轉換為通用數據速率（見圖2）。在這些情況下，MCU 必須管理流，以避免在欠載或過載條件下導致靜音、爆音和音頻不連續性，從而導致數據丟失并破壞用戶收聽體驗。請注意，音頻MCU還可用于實現音頻子系統的其他功能，例如在音頻播放期間控制照明。

［圖2 |音頻MCU可能需要執行格式轉換、采樣率調整和流管理，并支持音頻用戶界面。

為了在廣泛的應用中實現音頻，音頻MCU需要支持各種音頻技術。圖 3 顯示了這些音頻技術的示例。

［圖3|音頻技術］

音頻編解碼器（enCOder/DECoder）

音頻編解碼器是音頻系統的主要前端組件。許多為物聯網應用構建的MCU都支持硬件中的編解碼器功能。這使得系統能夠減小數字音頻樣本的大小，以加快無線傳輸（節省功耗）并節省存儲空間（減少內部存儲器容量的壓力）。編解碼器可能支持各種音頻標準格式，如 AAC、AC-3 和 ALAC。為此，它需要一個解碼訪問單元（AU），該單元在任何音頻后處理（例如DSOLA，SOLA）之前實現。當與AAC，AC-3和ALAC等標準音頻格式一起使用時，音頻的分類方式是，后續音頻樣本在音頻數據包數據流中指定的規定格式內。數據包間隔也得到管理，以允許在存在擁塞的情況下實現最小的交叉抖動和不間斷操作。AU有效載荷大小允許執行任何需要執行的隱藏。

基帶處理

基帶信號是模擬或數字波形中可由電子電路處理的基本頻率組。基帶信號可以由單個頻率或一組頻率組成，或者在數字域中，也可以由通過非多路復用信道發送的數據流組成。基帶定義為基帶（信號/秒）與載波信號混合以產生調制信號。請注意，在支持物聯網音頻的MCU中，音頻編解碼器在單個芯片上集成了基帶處理和RF。音頻編解碼器可以在各種無線收發器中實現，以提供語音數據和/或音樂功能。該編解碼器還具有用于音頻輸出的單聲道和立體聲通道，以及立體聲輸入。

數據包丟失隱藏和數據復制

過度延遲、數據包丟失和高延遲抖動都會損害通信質量。突發數據包丟失的可能性隨著網絡負載的增加而增加，并導致用戶可以聽到的中斷。通過賽普拉斯的數據包丟失隱藏技術等高級功能，可以增強Wi-Fi上強大的音頻傳輸。系統架構源/接收器如下：一個源捕獲音頻，通過RTP流結構多路復用PCM數據，并將時鐘與連接到PLC源的所有接收器同步。

請注意，通信鏈路的性能取決于鏈路預算性能的質量。該鏈路預算由三個因素決定：發射功率、發射天線增益和接收天線增益。例如，如果鏈路路徑的功率減去可用空間損失大于接收無線電的最小接收信號電平，則可以通過 802.11 網絡進行可靠通信（參見圖 4）。

［圖4|通信鏈路的性能取決于鏈路預算性能的質量。

語音清晰度增強 （SIE）

音頻系統中的背景噪音會降低語音的清晰度。如果噪音超過一定水平，則語音可能會使用戶難以理解。嵌入式設備上實時連續語音識別的可用性要求系統能夠增強噪聲受損語音的清晰度。選擇支持移植和優化常用大詞匯連續語音識別 （LVCSR） 系統的 MCU 可以簡化開發。

喚醒短語檢測

此高級功能使用戶能夠通過語音激活設備，以免提方式打開系統。

對一個或多個揚聲器進行高效多播

多播是一種網絡尋址方法，用于使用最有效的策略同時向一組目標發送信息。消息僅通過網絡的每個鏈路傳遞一次，僅當下一個鏈路拆分到多個目標（通常在網絡交換機和路由器處）時才會創建副本。但是，與用戶數據報協議 （UDP） 一樣，多播不保證消息流的傳遞，從而導致消息丟棄或消息無序傳遞。可靠多播 （RMC） 為多播數據包（僅限數據包）提供確認，以便可以可靠地傳送某些特定的多播數據包。發射器選擇RSSI最弱的接收器來確認幀。在物聯網環境中，實施 RMC 意味著 Wi-Fi 發射器從眾多 Wi-Fi 接收器中選擇一個來確認幀接收。發射器選擇RSSI最弱的接收器來確認幀。該實現使用包含專有 RMC 信息元素的操作框架來通知和啟用確認器。該實現還包含特定于 RMC 的 Wi-Fi 驅動程序命令，用于設置多播 MAC 地址以及啟用和禁用 RMC。

對于傳輸延遲固定且對稱的音頻和視頻，滿足時間同步要求;例如，RMC可以依靠高度精確的定時和同步來實現語音，視頻和移動數據的平滑單元到小區傳輸。從技術角度來看，實現高度準確和精確的時序并非易事，因此找到可以驗證其滿足應用要求的實現非常重要。

成幀格式、前向糾錯和數據包復制

對于音頻流，時鐘與所有Wi-Fi接收器同步至關重要。一種方法是為源和接收器設備使用通用時鐘，通常稱為掛鐘或系統時鐘（STC）。首先，每個接收器（接收器）將其STC（掛鐘）與源/發射器的STC（主掛鐘）同步。每個接收器現在可以恢復發射器的時鐘，因為源插入的時間戳（在每個RTP數據包的擴展標頭中可用）反映了媒體相對于公共時鐘的采樣時刻。

STC 基于 802.1AS 規范中概述的特級大師時鐘值。由于所有接收器設備都知道 STC 與源設備的媒體時鐘（因為它與 RTP 或媒體時間戳相關）之間的相關性，因此每個接收器都可以重建源設備的 RTP 媒體時鐘的副本，并相應地將其輸出排隊以進行正確的渲染。透明時鐘是硬件/ucode可以時間戳接收和傳輸盡可能接近MAC / PHY接口的數據包。雖然此時鐘值不用于回放，但它可用于測量整個系統的抖動并進行全面的性能分析。

智能家居音響系統示例

要了解上下文中的物聯網音頻，請考慮智能家居的示例以及音頻在提高智能家居系統的整體功能方面可以發揮的作用。當家中的設備和電器可以相互通信以及居住在那里的人時，家庭就變成了智能家居。通過增加我們的互聯性，智能家居正在改善我們的生活質量，并提高我們的安全性。

智能家居中音頻的主要用例之一是通過Wi-Fi或藍牙存儲和共享音頻。通過BLE選擇Wi-Fi因應用程序而異，并取決于范圍和音頻質量要求。例如，如果門口有人按門鈴，而不是只在家里的一個地方插鈴，家庭控制器可以在房子的每個房間播放特定的聲音。同樣，控制器可以將聲音限制在特定房間，例如不在嬰兒的托兒所中。嵌入式控制器有助于處理此音頻，并通過管理各種輸出控制功能使系統更加智能。

重播音頻系統

重播音頻系統已成為音頻市場的重要應用。無線音頻重播系統是智能家居的核心，它將家中的許多不同智能設備匯集在一起，并代表用戶做出智能決策。例如，音頻系統可以根據當前正在播放的音樂來控制房屋中的照明模式。它還可以使用文本到語音轉換來大聲朗讀用戶通知或電子郵件。用戶還可以選擇通過使用可聯網的音頻設備（例如房屋不同房間中的無線揚聲器）在多房間音頻系統中創建區域。這種方法創建了一個完整的生態系統，以確保家庭始終以最高效率運行，同時最大限度地減少與居住在那里的人的互動。為了創建這樣的生態系統，物聯網設計人員需要選擇一個嵌入式微控制器，該微控制器具有適當的性能和基于音頻的功能，這些功能已針對物聯網應用進行了優化。

數字信號處理效果

在通過無線鏈路傳輸音頻數據之前，數字域中的音頻信號處理是任何音頻系統的重要組成部分。這種處理通常涉及測量、濾波和/或壓縮音頻模擬信號。具有集成DSP功能的嵌入式MCU可實現諸如添加數字混音器和支持遠程控制功能之類的效果。每個通道均配備 5 波段均衡器，音頻播放可與大多數音序器應用巧妙集成，形成功能強大的錄音室系統。

實時音頻流

Spotify和潘多拉等音樂流媒體服務允許用戶選擇要播放的歌曲。理想情況下，這些服務使用戶能夠在家中流式傳輸音頻，并支持一些智能語音命令，例如選擇要添加到播放列表的歌曲。它們還可以使用智能家居音頻系統將實時互聯網流式傳輸到家庭的不同房間。

音頻是許多物聯網系統中的重要功能，需要高質量的音頻來支持許多高級功能，例如流質量音頻，語音識別/命令以及使用智能家居音頻系統通過無線鏈路（藍牙和Wi-Fi）進行音頻傳輸。借助合適的 MCU 和集成技術，可以設計出可靠、無噪聲且經濟高效的物聯網音頻系統。

審核編輯：郭婷