音频ADC何以在嘈杂或远距离情况下高保真采集语音？

yhgdpcb · 发表于 2019-11-30 08:46:24

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[paragraph]从Siri到Cortana，从手机到智能音箱再到智能汽车。“世界本不能与机器对话，说的人多了，也便有了应用。”然而，与日俱增的应用之下，总会有些许缺点会暴露……最为致命的缺点就在于机器的“听力”方面，如若采样音频都“杂乱无章”，何以驱动整个智能系统；如若任何命令都“置若罔闻”，何以对话整个数字世界？
据市场统计数据显示，至2020年，将有大约500亿设备拥有音频接口的需求，广泛用于智能音箱、智能汽车甚至冰箱、空调、洗衣机等家电中。此前人们的生活习惯偏向于遥控或按键时，未来或将更偏重于语音控制，而类似的应用也正在如雨后春笋般大量涌现。
正因如此，采样的质量才凸显出其无可比拟的地位。目前来说，智能家居面临的两方面挑战，一方面，由于需求越来越广，远距离语音控制场景越来越多，远场音频采集困难；另一方面，由于麦克风数量有限且信号处理能力有限，现有的智能家居系统难以在嘈杂的环境中理解语音命令。
突破在这方面的挑战，除了外围设备，电子工程师更看重“内在”，而音频ADC正是这一切的核心。11月21日，TI发布新型Burr-Brown™音频ADC并介绍了TI在音频技术上的整套解决方案，21ic中国电子网记者受邀参加此次发布会。德州仪器音频产品市场工程师Abhi Muppiri，德州仪器华北区技术应用经理赵般多现场为记者解析这款音频ADC背后的“黑科技”。

无惧远距离和嘈杂环境：TLV320ADC5140

TI最新发布的新型Burr-Brown™音频ADC TLV320ADC5140正是为解决远距离和噪声问题而生。据Abhi介绍，这款产品可拾取10米以上距离发出的声音，拥有比行业同类产品远4倍的远场语音采集，同时是是首款完全支持超过106dB动态范围的最新高信噪比麦克风的ADC，而在开启动态范围增强器（DRE）后可达到120dB。
赵般多为记者介绍表示，之所以能够远距离采样相关语音命令，正是得益于这款产品最为特殊的地方——内置的120dB动态范围增强器（DRE）。在系统层面，即使在非常靠近音箱输出的情况下，DRE方案仍可在保持低失真录音的同时增强低音量音频信号。DRE还可以改善所有环境中的远场高保真录音。
当然，这款产品并非仅此功能而已，还包括了可编程增益放大器、高通滤波器、通道混合以及线性相位或超低延迟滤波器功能，因此即使处于嘈杂环境也可准确采样。
值得一提的是，这款产品的封装尺寸只有4mm x 4mm，采用24引脚超薄型无引线（WQFN）封装，可以说超小型的体积非常适用于目前追求小型化的电子产业。

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图1：TLV320ADC5140 Audio ADC

潜藏小身材下的高保真语音采集秘密

首要提及的便是上文所述的动态范围增强器（DRE），其实这种技术对于熟悉音频的人或许有所耳闻，另外在电源控制方面也有这项技术的应用，不过在音频ADC领域，TI是非常领先的。
据Abhi介绍，该项功能是与客户探讨开发的独特功能，藉由此功能可将动态范围从106dB提升至120dB的高水平。Abhi强调，与客户探讨时发现，语音控制受环境、距离因素产生的音量忽大忽小是常见问题。他表示，DRE整体是一套闭环控制的过程，采样的信号经过DRE分析后由可变增益放大器转化，当信号较小时，相关信号也将反馈于前级电子增益进行调整。

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图2：德州仪器（TI）音频产品市场工程师Abhi Muppiri先生解读新型Burr-Brown_音频ADC产品

除了DRE，这款ADC还会对采样数据进行相位校正、波束成形和主动消噪算法，通过嵌入硬件的功能可以保证语音采样的高保真，而客户也可在处理器端使用相关算法进而优化。
Ahbi为记者介绍表示，即使智能音箱播放至最高音量，也可以清晰采样用户命令信息，再经过app算法抵消相关声音，即可获取清晰的命令，这便是藉由DRE将动态范围提升至120dB最明显的优点。

数字/模拟麦克风的多重搭配催生新应用

麦克风目前拥有数字型和模拟型两种，在外围设备适配方面，Abhi强调，这款产品支持麦克风输入的四个模拟通道或八个数字通道，亦或是随意组合进行同步采样，从而确保了系统灵活性，另外还提供增益和相位校准等可编程功能，以均衡麦克风阵列失配。
话题说到此处，或许会产生一些疑问，既然如此数字、模拟麦克风究竟孰强孰弱？赵般多为记者解释表示，数字麦克风通常在功耗方面比模拟效果好，但信噪比方面模拟麦克风则更佳，因此该款产品既支持数字麦克风也支持模拟麦克风，客户可根据实际需求进行修改。

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图3：德州仪器（TI）华北区技术应用经理赵般多先生解读新型Burr-Brown音频ADC产品

正因拥有数字麦克风和模拟麦克风的“双重加持”，才能搭配出不一样的应用。Abhi为记者举了一个例子，一些电池供电的摄像头可在待机状态使用低功耗的数字麦克风实时监测环境，而当监测到有人闯入时，唤醒模拟麦克风进行高质量音源采样，这样便兼顾了低功耗与高质量。

覆盖全行业需求的产品线

除了TLV320ADC5140，如此能“打”的产品还有两个。目前，TI在音频ADC上拥有TLV320ADC3140 / 5140 / 6140三款产品，而上文所主要介绍的5140则属于中档产品。价格方面，三款产品分别为$1.99 / $2.99 / $4.99，需要注意的该定价是为千件下的定价，在需求量不同时将会有所浮动。
具体来说，3140属于入门级产品，因为没有搭载DRE技术，所以动态范围（DR）方面为106dB。而针对高端市场的6140本身就拥有113dB的动态范围（DR），使用DRE技术可将动态范围（DR）扩展到122dB，并达到123dB的信噪比（SNR）。
据Abhi介绍，如此定档和定价的原因在于相信不同的类型的产品会用到不同的应用产品里去。他表示，3140属入门级产品，在一些智能音箱、电视上或许检测声音距离并不远，因此3140足以满足需求；而在需要检测更远距离或嘈杂环境下，5140可以满足要求；一些专业录音场景应用下面对的问题就是如何在有限空间内获取最高的性能，因此6140可以满足顶级的需求。
除了三款可供选择的音频ADC，TI还提供了全套产品线的产品组合。众所周知，Burr-Brown是一家成立于1956年的模拟器件厂商，据Abhi介绍，自2000年Burr Brown被TI收购以后，一直延续本品牌在音频上的独特技术和发展，其中不仅拥有ADC/DAC，还包括高性能D类放大器、数据转换器和运算放大器的全套音频产品组合。

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图4：TI Burr-Brown音频技术

另外，据赵般多介绍，在集成型的产品，诸如Codec，TI也在持续关注和投入，相关产品也将会被发布。当然是集成好还是分开好，具体还应取决于应用方向和客户的选择。

目前着重于智能家居市场

Abhi对记者介绍表示，相较于欧美和日本，智能家居中国处于领先水平，除了智能音箱以外，电视、冰箱、空调均在向语音交互方面发展。目前来说已在中国市场拥有许多领先家电厂商合作，并推行语音交互方面发展的计划。
当然，车载环境也是TI要抓住的重点，不过因为汽车拥有不同的需求和质量评价体系，因此针对汽车应用市场将会在明年发布相关的专属产品，针对汽车应用进行质量相关的评价和特殊定制。

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图5：高保真音频适用于要求顶级音质的应用

Abhi强调，TI是一家模拟占比非常大的公司，强项在于制造、工艺、设计理念的积累和IT方面的积累，因此会发挥好优势以做出真正适合智能家居音频这一市场的产品。
在音频方面，诸如今年大火的TWS耳机，TI也拥有成功案例。本次所发布的TLV320ADC5140适用于对前端模拟信号采集质量要求非常高的场景，随着智能家居音频市场的不断扩张，对于采样的标准也将越来越高。