让遥控器更智能

2018-07-11 17:32:01编辑:muyan 关键字:蓝牙低功耗  语音命令

最初,电视、机顶盒和空调等电器仅需少量控制功能。在大多数情况下,开/关按钮、几个选择按钮和两组增加/减少控制足以完全控制您的设备。

 

但随着设备支持的功能增加,用户使用的命令和配置选项也随之增加。然而,用户仍希望只用一个遥控器来管理所有功能。为了解决这个问题,工程师们开始整合更复杂的用户界面(UI)。分层菜单出现在电视屏幕上,而越来越多的按钮被填充到遥控器中,以便用户调用和浏览菜单。

 

今天的重要趋势是让设备更智能。智能设备可以连接到其他设备和互联网,来提供更多功能和服务。使用菜单浏览,并用遥控器上的小按钮键输入一大字符串是不切实际的,也不是个愉快的体验。

 

在本文中,我们将讨论如何使用语音命令来提供更好的用户体验。我们特别研究了使用Dialog基于DA14585的高级语音遥控参考设计,通过蓝牙低功耗BLE)实现语音命令。

 

1较大的 QWERTY遥控器

 

用语音作为命令界面

语音是一个非常强大和直观的界面。一个简单的短语可以包含足够的信息来描述非常复杂的命令。然而,在嘈杂的环境中捕捉短语并提取有实际意义的信息(通常以字符串的形式),这在技术上是一个挑战。幸运的是,产生这个需求的源头,即智能设备与互联网的连接,也为这一复杂问题提供了解决方案。设备现在可以访问云计算,并且可以受益于最先进的语音到文本识别引擎,如Nuance Communications、微软、谷歌、亚马逊等公司提供的技术。如今,基于云的语音识别服务足以提供非常好的用户体验。

 

我们为什么还需要遥控器呢?

其实,不断监听语音命令的解决方案很早就开发出来了,设备可以不断地收听周围的声音并搜索命令。但是,背景噪音和用户与麦克风的距离问题,使得难以正确识别信息。此外,设备和云服务之间交换的数据量非常巨大,语音识别引擎面临大量的请求,其中大部分是不相关的。环境声音的不断记录也带来了严重的安全和隐私隐患。

 

我们需要一种触发器,一般通过按钮、手势或可识别的单词或短语来实现。这种解决方案适用于用户和设备距离很近,例如智能手机。但要在智能电视、机顶盒和用户离设备较远的其他应用中,正确识别触发信号并提供良好的用户体验就要困难很多。麦克风需要靠近用户,不是有遥控器嘛。那么将麦克风嵌入遥控器就再自然不过了。

 

量化语音识别要求

简单来说,语音命令功能的挑战可以表述为:“捕获'足够'的高质量语音记录,将其发送到语音识别引擎,然后处理文本结果以得出用户的命令”。这个短语包含两组基本要求。首先是需要触发器。实际上,需要两个触发器:第一个指示命令的开始,第二个指示结束。

 

第二组要求与音频信号本身有关。语音记录应采用适合引擎处理的格式进行编码,而且质量要“足够”好。质量“足够”好怎么定义呢。安卓兼容性定义文档介绍了有关音频捕获质量指标的一些想法。

 

频率响应应该在100 Hz4000 Hz的语音频谱上几乎保持平坦(+/- 3 dB)。这是描述窄带语音信号的众所周知的规范。关于麦克风产生的信号电平,安卓兼容性指南定义了声功率级-RMS图中的单点,以及线性跟踪声功率级的范围。

 

1 kHz时声压级(SPL)为90 dB的声音,对于16PCM信号,应产生2500RMS。这几乎是16位有符号信号整体振幅范围的10%。想要感觉一下SPL范围的话,正常水平的电视机或典型的人类对话能在1米距离内产生60 dB SPL。相比之下,柴油货车在10米距离处产生90 dB SPL


 

2. 声压级示例

 

当然,我们不能期望用户在随时想使用语音命令的时候,都能把麦克风放在精确的位置并以特定的音量水平说话。鉴于PCM振幅水平可以线性追踪变化,语音识别引擎可以在一系列不同的声压级工作。要求至少30 dB的范围。从90 dB SPL点开始,麦克风应至少从-18 dB+12 dB进行线性跟踪; 因此在+72 dB SPL+108 dB SPL之间。这相当于将麦克风放在离嘴0.8厘米至25厘米之间,并以正常强度说话。

 

3. PCMSPL坐标图

 

语音识别引擎似乎对非线性行为比较敏感。对于麦克风上90 dB SPL输入电平的1 kHz正弦波,总谐波失真应小于1%。降噪处理、自动增益控制(如果存在)必须禁用。

 

 

 

构建语音命令遥控器

现在我们看看语音命令遥控器的架构,我们将按照通过系统的音频信号的路径来看。在这个过程中,我们将着眼于在实现经济有效、功率效率高的语音遥控器时经常遇到的挑战,以及可能的解决方法。

 

4. 典型的语音捕获信号路径

 

一切都从音频捕获子系统开始。这可以基于不贵的模拟麦克风和编解码电路,或数字麦克风,将样本数字化并根据已知的串行协议进行传输。

 

对于电池供电的系统(如语音命令遥控器),将功耗降到最低至关重要。因此,强烈建议对麦克风或外部编解码器等外部元件的电源进行功率门控。

 

音频采样率必须至少为8k Samples / s以满足4 kHz音频带宽要求。但是,每个采样至少16位的16k Samples / s是更常规的选择。采用16位采样可确保足够的声压级范围,从而捕获的音频信号将包含足够的信息,以便语音到文字的识别工作正常进行。

 

采样音频涉及中断或某种形式的硬件 DMA,以获取采样并将其传输到缓冲区。该缓冲区需要将严格定时的音频采样与随后的音频处理解耦。对于低成本设备,音频处理由服务应用程序的相同处理器处理,在某些情况下由BLE协议栈处理。因此,缓冲区的大小将取决于音频处理模块接入CPU、处理音频数据并将其移至下一步所需的最大预期时间。典型的时间在几毫秒内。对于1616k Samples /s信号,每毫秒产生32个字节,160-200字节缓冲器一般足以允许5毫秒以内的处理时间。

 

音频处理模块实现简单的音频处理,并对音频数据进行编码以降低其总体速率。音频处理包括非常基础的滤波,如直流偏移消除或带通滤波,和固定增益以优化音频振幅。原始音频数据为256 kbit / s,可以通过BLE进行有余量地流数据传输。为了降低速率并更好地利用带宽,使用已知的音频压缩算法对音频进行编码。编码器的选择比较多样,从简单的固定速率有损编解码器(如IMA-ADPCM),到复杂的处理密集型固定或可变速率算法(如OPUS)。简单的编解码器可以在MIPS容量较低的CPU上运行,但在相同的输出比特率下,生成的音频流质量较低。另一方面,复杂的算法可以提高编码音频流的质量,但需要较贵且耗电较多的CPU

 

编码器的输出包含需要通过无线传输的最终有效载荷,并且需要一个额外的缓冲器来帮助均衡即时RF数据速率与编码器的平均输出速率。编码器的输出速率等于采样音频速率除以实现的压缩比率。下面的表格显示了Dialog的语音遥控器(Voice RCU)参考设计支持的典型原始和编码音频速率。

 

1. 原始的和 IMADPCM 编码的音频

采样率

原始音频速率

压缩比率

编码的音频速率

16   kHz

256   kbit/s

1:4

64kbit/s

16   kHz

256   kbit/s

3:16

48kbit/s

8   kHz

128   kbit/s

1:4

32kbit/s

8   kHz

128   kbit/s

3:16

24kbit/s

 

BLE是一种基于数据包的协议,在特定时间点交换数据包,由定期连接间隔分隔开。如果干扰在会合点期间发生使数据包失真,则数据将在下一个数据包中重新传输。每个连接间隔都发生在不同的频率通道中。通常,一个频率范围内会经常出现干扰信号,使多个连接事件失真并显著降低带宽。

 

BLE提供了一种叫做信道映射更新的机制来解决这个问题。主设备将检测受影响的频率范围,并实施信道映射更新程序。在此之前,BLE连接可能会经历RF数据速率的显著下降。编码器输出端的缓冲区的大小应相应调整,以便能承受此类事件。大小调整可以使用超安全方法,例如缓冲完整5秒钟信息需要40k字节,或者以一半的速率进行5秒钟的缓冲,而不丢失任何数据,这需要20k字节的缓冲。考虑市场上可用的设备,这是一个非常难以满足的要求。大多数设备的整个协议栈和应用程序都只有20 - 40 kbytes的总可用RAM。这个资源不能浪费在单个缓冲区上。需要注意是,缓冲区的大小与编码器输出速率和确保数据不丢失的时间成正比。

 

市场

[1] [2]

关键字:蓝牙低功耗  语音命令

来源: EEWORLD 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/szds/2018/ic-news071113796.html
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