Ses, hoparlörler ve kulaklıklar, giyilebilir cihazlar ve tıbbi cihazlar (örn. İşitme cihazları), otomasyon ve endüstriyel kontrol uygulamaları, eğlence sistemleri ve otomotiv bilgi -eğlence birimleri gibi tüketici ürünleri de dahil olmak üzere birçok IoT uygulamasının ayrılmaz bir parçasıdır.
IoT Audio, Bluetooth ve Wi-Fi bağlantısı (örn., Wi-Fi üzerinden bir ev çevre ses sistemine akışlı çoklu kanallı ses) aracılığıyla akış (yani müzik, ses ve veri), ses tanıma/komutları ve kablosuz olarak kategorize edilebilir. Bununla birlikte, mühendisler IoT tabanlı cihazlar için gereken katı kısıtlamalara uymaları gerektiğinde yüksek kaliteli, kesintisiz akustik ses alt sistemleri tasarlamak zor olabilir.
Daha karmaşık tasarımların, sürücülerin araçlarındaki bilgi-eğlence sistemini cep telefonuyla aynı şekilde kontrol etmesine izin vermek gibi ses tanıma gibi gelişmiş özellikleri içermesi gerekmektedir. MCU tüm bu ses sistemlerinin kalbinde olduğundan, güvenilir bir gürültü içermeyen ses sistemi tasarlamak için gerekli ses teknolojilerini entegre eden bir MCU seçmek önemlidir. Bu makale, bu tür sistemleri tasarlamak için kullanılabilecek ses teknolojilerini araştırmaktadır.
Bir ses alt sisteminin bileşenleri
IoT Audio üç ana aktiviteyi içerir: buhar yüksek kaliteli ses/veri, kablosuz iletim ve ses yeniden yapılanma kontrolü. Şekil 1, gömülü bir sistemdeki en önemli yapı taşlarını göstermektedir.
Bu blok diyagramı, ses işleme alt sisteminin daha önemli yapı taşlarını göstermektedir
Bu özelliklerin çoğunun, bu örnekte kullanılan entegre Wi-Fi 802.11n ile Cypress Cyw43907 gibi modern MCU'lara entegre edilebileceğini unutmayın.
Müzik Uygulamaları
Ses özellikli MCU'lar, mühendislerin çoğu popüler medya oynatıcı ve içerik sağlayıcıları tarafından kullanılan MP3/4 akışlarını kodlamasına izin verir. Birçok tasarımın WMA ve Apple'ın ek işlem gücü gerektiren AAC kod çözmesini desteklemesi gerekir. Tüketici ses uygulamalarında, düşük maliyetli ses MCU'ları genellikle dijital hoparlör setleri gibi ses aksesuarlarından dijital müzik akışlarını yöneterek kullanılabilir.
Bu uygulamalarda, bir PCM ses verisi çerçevesi (USB ses sınıfı formatında kapsüllenir) işlemcinin SPI/I²C seri kanallarından biri aracılığıyla her 1 metrede bir gelir. Kaynağa bağlı olarak, ses akışı birkaç formattan birine (yani, sol hizalanmış, sağ hizalanmış, I2S, vb.) Gelebilir. Bununla birlikte, bazı düşük maliyetli kodekler yalnızca belirli formatları kabul edebilir. Bu durumlarda, MCU, verilerin kodekte beslenmeden önce doğru bir şekilde hizalanmasını sağlamada önemli bir rol oynar.
Tüm ses kaynakları aynı örnekleme oranını kullanmadığından, kodek örnekleme frekansını kaynağa uyarlamalı veya örneklenen veri akışını ortak bir veri hızına dönüştürmek için MCU'ya güvenmelidir (bkz. Şekil 2). Bu durumlarda MCU, veri kaybına neden olabilecek ve kullanıcı dinleme deneyimini bozabilecek sessizlere, patlamalara ve ses süreksizliklerine yol açabilecek düşük veya aşırı yük koşullarından kaçınmak için akışı yönetmelidir. Audio MCU'nun ses alt sisteminin sesli oynatma sırasında aydınlatmayı kontrol etmek gibi diğer işlevlerini uygulamak için de kullanılabileceğini unutmayın.
Audio MCU'nun biçim dönüşümü, örnek hızı ayarlaması ve akış yönetimi ve ses kullanıcı arayüzlerini desteklemesi gerekebilir.
Çok çeşitli uygulamalarda ses uygulamak için, ses MCU'larının çeşitli ses teknolojilerini desteklemesi gerekir. Şekil 3, bu ses teknolojilerinin örneklerini göstermektedir.
Ses Teknolojisi
Ses kodekleri
Ses kodekleri bir ses sisteminin ana ön uç bileşenidir. IoT uygulamaları için inşa edilen birçok MCU, donanımda kodek işlevselliğini destekler. Bu, sistemin kablosuz şanzımanı (tasarruf gücü) hızlandırmak ve depolama alanından (dahili bellek kapasitesi üzerindeki yükü azaltmak) tasarruf etmek için dijital ses örneklerinin boyutunu azaltmasını sağlar. Codec, AAC, AC -3 ve ALAC gibi çeşitli ses standart formatlarını destekleyebilir. Bunu yapmak için, işleme sonrası herhangi bir sesli (örn. DSOLA, Sola) önce uygulanan bir kod çözme erişim ünitesi (AU) gerektirir. AAC, AC -3 ve ALAC gibi standart ses formatları ile kullanıldığında, ses, sonraki ses örnekleri ses paketi veri akışında belirtilen öngörülen format içinde olacak şekilde kategorize edilir. Paket aralığı ayrıca minimal çapraz titreşim ve tıkanıklık varlığında kesintisiz çalışma sağlayacak şekilde yönetilir. AU yük boyutu, gerçekleştirilmesi gereken herhangi bir gizlemenin yürütülmesini sağlar.
Temel bant işleme
Baz bant sinyali, elektronik devreler tarafından işlenebilen analog veya dijital dalga formundaki temel frekans grubudur. Bir temel bant sinyali, tek bir frekanstan veya bir grup frekanstan veya dijital alanda, çok yönlü olmayan bir kanal üzerinden gönderilen bir veri akışı olabilir. Baz bandı, modüle edilmiş bir sinyal üretmek için taşıyıcı sinyali ile karıştırılmış baz bandı (sinyal/saniye) olarak tanımlanır. IoT Audio'yu destekleyen MCU'larda, ses kodekinin temel bant işlemeyi ve RF'yi tek bir çip üzerine entegre ettiğini unutmayın. Ses kodek, sesli veriler ve/veya müzik işlevselliği sağlamak için çeşitli kablosuz alıcı -vericilerde uygulanabilir. CODEC ayrıca ses çıkışı için mono ve stereo kanalların yanı sıra stereo girişlere de sahiptir.
Paket kaybı gizleme ve veri çoğaltma
Aşırı gecikme, paket kaybı ve yüksek gecikme titreşimi iletişim kalitesini bozabilir. Ani paket kaybı olasılığı ağ yükü ile artar ve kullanıcı tarafından duyulabilecek kesintilerle sonuçlanır. Wi-Fi üzerinden sağlam ses iletimi, Cypress'in paket kaybı gizleme teknolojisi gibi gelişmiş özelliklerle geliştirilebilir. Sistem mimarisi kaynağı/alıcısı aşağıdaki gibidir: Bir kaynak sesi yakalar, PCM verilerini RTP akış yapısı aracılığıyla çoğaltır ve saati PLC kaynağına bağlı tüm alıcılarla senkronize eder.
İletişim bağlantısının performansının, bağlantı bütçe performansının kalitesine bağlı olduğunu unutmayın. Bu bağlantı bütçesi üç faktörle belirlenir: güç ilet, anten kazancı iletin ve anten kazancı alma. Örneğin, bağlantı yolunun gücü eksi mevcut alan kaybı, alıcı radyonun alınan minimum sinyal seviyesinden daha büyükse, 802.11 ağı üzerinden güvenilir iletişim mümkündür (bkz. Şekil 4).
Bir iletişim bağlantısının performansı, bağlantı bütçe performansının kalitesine bağlıdır
Konuşma Anlaşılabilirliği Geliştirme (SIE)
Ses sistemindeki arka plan gürültüsü, konuşmanın anlaşılabilirliğini azaltabilir. Gürültü belirli bir seviyeyi aşarsa, konuşmanın kullanıcının anlaması zor olabilir. Gömülü cihazlarda gerçek zamanlı sürekli konuşma tanımanın mevcudiyeti, gürültü bozulmuş konuşmanın anlaşılabilirliğini artıran bir sistem gerektirir. Yaygın olarak kullanılan büyük bir kelime dağarcığı sürekli konuşma tanıma (LVCSR) sisteminin taşınmasını ve optimizasyonunu destekleyen bir MCU seçmek gelişimi basitleştirebilir.
Uyandırma ifadesi tespiti
Bu gelişmiş özellik, kullanıcıların cihazı sesleriyle etkinleştirerek sistemi eller serbest açmalarını sağlar.
Bir veya daha fazla hoparlör için verimli çoklu yayın
Çok noktaya yayın, en verimli stratejiyi kullanarak aynı anda bir grup hedefe mesaj göndermek için kullanılan bir ağ adresleme yöntemidir. Mesajlar ağdaki her bağlantıdan yalnızca bir kez teslim edilir ve kopyalar yalnızca bir sonraki bağlantı birden çok hedefe, genellikle ağ anahtarlarında ve yönlendiricilerde ayrıldığında oluşturulur. Ancak, Kullanıcı Datagram Protokolü (UDP) gibi, çok noktaya yayın, mesaj akışının iletimini garanti etmez, bu da mesaj atma veya örgütlenmemiş mesaj teslimatına yol açabilir. Güvenilir Çok Noktaya Yayın (RMC), belirli çok noktaya yayın paketlerinin güvenilir bir şekilde teslim edilebilmesi için çok noktaya yayın paketleri (yalnızca paketler) için onaylar sağlar. Verici, çerçeveyi kabul etmek için alıcıyı en zayıf RSSI ile seçer. Bir IoT ortamında, RMC'nin uygulanması, Wi-Fi vericisinin çerçeve alımını kabul etmek için birçok Wi-Fi alıcısından birini seçtiği anlamına gelir. Verici, çerçeveyi kabul etmek için alıcıyı en zayıf RSSI ile seçer. Uygulama, onaylayıcıyı bilgilendirmek ve etkinleştirmek için tescilli RMC bilgi öğelerini içeren operasyonel bir çerçeve kullanır. Uygulama ayrıca çok noktaya yayın MAC adresini ayarlamak ve RMC'yi etkinleştirmek ve devre dışı bırakmak için RMC'ye özgü Wi-Fi sürücü komutları içerir.
Sabit ve simetrik iletim gecikmeleri olan ses ve video için zaman senkronizasyonu gereksinimleri karşılanır; Örneğin, RMC, ses, video ve mobil verilerin pürüzsüz hücre-hücre iletimi için son derece doğru zamanlamaya ve senkronizasyona güvenebilir. Son derece doğru ve kesin zamanlamaya ulaşmak teknik açıdan kolay değildir, bu nedenle başvuru gereksinimlerini karşılamak için doğrulanabilecek uygulamalar bulmak önemlidir.
Çerçeveleme formatları, ileri hata düzeltmesi ve paket çoğaltma
Ses akışı için, saatin tüm Wi-Fi alıcıları ile senkronize edilmesi çok önemlidir. Bir yaklaşım, genellikle duvar saati veya sistem saati (STC) olarak adlandırılan hem kaynak hem de alıcı aygıtları için ortak bir saat kullanmaktır. İlk olarak, her alıcı (alıcı) STC'sini (duvar saati) kaynak/vericinin STC'si (ana duvar saati) ile senkronize eder. Her alıcı artık vericinin saatini kurtarabilir, çünkü kaynak tarafından eklenen zaman damgası (her bir RTP paketinin genişletilmiş başlığında mevcuttur), medyanın ortak saate göre örneklenen momentini yansıtır.
STC, 802.1AS spesifikasyonunda belirtilen Grandmaster Saat değerlerine dayanır. Tüm alıcı aygıtları, STC ve kaynak cihazın medya saati arasındaki korelasyonun farkında olduğundan (RTP veya Medya Zaman Damgası ile ilgili olduğu için), her alıcı kaynak cihazın RTP medya saatinin bir kopyasını yeniden yapılandırabilir ve doğru işleme için çıkışını sıraya göre sıraya koyabilir. Şeffaf olumsuzluk, donanım/uCode'un Mac/Phy arayüzüne mümkün olduğunca yakın alınan ve iletilebileceği zaman damgası yapabileceği yerdir. Bu saat değeri oynatma için kullanılmasa da, sistem boyunca titreşimi ölçmek ve tam performans analizi yapmak için kullanılabilir.
Akıllı bir ev ses sistemi örneği
IoT Audio'yu bağlamda anlamak için, akıllı ev örneğini ve Audio'nun akıllı bir ev sisteminin genel işlevselliğini geliştirmede oynayabileceği rolü düşünün. Bir ev, içindeki cihazlar ve cihazlar birbirleriyle ve orada yaşayan insanlarla iletişim kurabildiğinde akıllı bir ev haline gelir. Akıllı evler, birbirine bağlılığımızı artırarak yaşam kalitemizi geliştiriyor ve güvenliğimizi artırıyor.
Akıllı evdeki ses için ana kullanım durumlarından biri, Wi-Fi veya Bluetooth üzerinden ses depolamak ve paylaşmaktır. Wi-Fi'nin BLE üzerinden seçimi uygulamaya göre değişir ve menzil ve ses kalitesi gereksinimlerine bağlıdır. Örneğin, bir ev kontrolörü, evin bir bölümüne zili takmak yerine, birisi kapı zilini kapıdan çalarsa, evin her odasında belirli bir ses çalabilir. Benzer şekilde, kontrolör sesi bebekler için bir kreşte değil, belirli odalarla sınırlayabilir. Gömülü denetleyiciler, çeşitli çıkış kontrol işlevlerini yöneterek bu sesin işlenmesine ve sistemi daha akıllı hale getirmeye yardımcı olur.
Oynatma Ses Sistemleri
Tekrar ses sistemleri ses pazarında önemli bir uygulama haline gelmiştir. Kablosuz ses tekrarlama sistemleri akıllı evin merkezindedir, evdeki birçok farklı akıllı cihazı bir araya getirir ve kullanıcı adına akıllı kararlar verir. Örneğin, bir ses sistemi, şu anda çalan müziğe dayalı bir evdeki aydınlatma modellerini kontrol edebilir. Ayrıca, kullanıcı bildirimlerini veya e-postaları yüksek sesle okumak için metin-konuşma dönüşümünü de kullanabilir. Kullanıcılar ayrıca, evin farklı odalarındaki kablosuz hoparlörler gibi ağ kurabilen ses cihazlarını kullanarak çok odalı bir ses sisteminde bölge oluşturma seçeneğine sahiptir. Bu yaklaşım, orada yaşayan insanlarla etkileşimleri en aza indirirken, evin her zaman en yüksek verimlilikte çalışmasını sağlamak için tüm bir ekosistem yaratır. Böyle bir ekosistem oluşturmak için IoT tasarımcılarının, IoT uygulamaları için optimize edilmiş doğru performansa ve ses tabanlı özelliklere sahip gömülü bir mikrodenetleyici seçmeleri gerekir.
Dijital sinyal işleme efektleri
Dijital alanda ses sinyali işleme, ses verilerini kablosuz bir bağlantıya iletmeden önce herhangi bir ses sisteminin önemli bir parçasıdır. Bu işlem tipik olarak ses analog sinyalini ölçmeyi, filtrelemeyi ve/veya sıkıştırmayı içerir. Entegre DSP işlevselliğine sahip gömülü MCU'lar, dijital mikser eklenmesi ve uzaktan kumanda işlevleri için destek gibi efektleri etkinleştirir. Her kanal için 5- bant ekolayzırıyla, güçlü bir stüdyo sistemi oluşturmak için ses çalma çoğu sıralayıcı uygulamasıyla akıllıca entegre edilebilir.