音頻ADC何以在嘈雜或遠(yuǎn)距離情況下高保真采集語音？

從Siri到Cortana，從手機到智能音箱再到智能汽車。“世界本不能與機器對話，說的人多了，也便有了應(yīng)用。”然而，與日俱增的應(yīng)用之下，總會有些許缺點會暴露……最為致命的缺點就在于機器的“聽力”方面，如若采樣音頻都“雜亂無章”，何以驅(qū)動整個智能系統(tǒng)；如若任何命令都“置若罔聞”，何以對話整個數(shù)字世界？

據(jù)市場統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，至2020年，將有大約500億設(shè)備擁有音頻接口的需求，廣泛用于智能音箱、智能汽車甚至冰箱、空調(diào)、洗衣機等家電中。此前人們的生活習(xí)慣偏向于遙控或按鍵時，未來或?qū)⒏赜谡Z音控制，而類似的應(yīng)用也正在如雨后春筍般大量涌現(xiàn)。

正因如此，采樣的質(zhì)量才凸顯出其無可比擬的地位。目前來說，智能家居面臨的兩方面挑戰(zhàn)，一方面，由于需求越來越廣，遠(yuǎn)距離語音控制場景越來越多，遠(yuǎn)場音頻采集困難；另一方面，由于麥克風(fēng)數(shù)量有限且信號處理能力有限，現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)難以在嘈雜的環(huán)境中理解語音命令。

突破在這方面的挑戰(zhàn)，除了外圍設(shè)備，電子工程師更看重“內(nèi)在”，而音頻ADC正是這一切的核心。11月21日，TI發(fā)布新型Burr-Brown™音頻ADC并介紹了TI在音頻技術(shù)上的整套解決方案，21ic中國電子網(wǎng)記者受邀參加此次發(fā)布會。德州儀器音頻產(chǎn)品市場工程師Abhi Muppiri，德州儀器華北區(qū)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理趙般多現(xiàn)場為記者解析這款音頻ADC背后的“黑科技”。

無懼遠(yuǎn)距離和嘈雜環(huán)境：TLV320ADC5140

TI最新發(fā)布的新型Burr-Brown™音頻ADC TLV320ADC5140正是為解決遠(yuǎn)距離和噪聲問題而生。據(jù)Abhi介紹，這款產(chǎn)品可拾取10米以上距離發(fā)出的聲音，擁有比行業(yè)同類產(chǎn)品遠(yuǎn)4倍的遠(yuǎn)場語音采集，同時是是首款完全支持超過106dB動態(tài)范圍的最新高信噪比麥克風(fēng)的ADC，而在開啟動態(tài)范圍增強器（DRE）后可達(dá)到120dB。

趙般多為記者介紹表示，之所以能夠遠(yuǎn)距離采樣相關(guān)語音命令，正是得益于這款產(chǎn)品最為特殊的地方——內(nèi)置的120dB動態(tài)范圍增強器（DRE）。在系統(tǒng)層面，即使在非?？拷粝漭敵龅那闆r下，DRE方案仍可在保持低失真錄音的同時增強低音量音頻信號。DRE還可以改善所有環(huán)境中的遠(yuǎn)場高保真錄音。

當(dāng)然，這款產(chǎn)品并非僅此功能而已，還包括了可編程增益放大器、高通濾波器、通道混合以及線性相位或超低延遲濾波器功能，因此即使處于嘈雜環(huán)境也可準(zhǔn)確采樣。

值得一提的是，這款產(chǎn)品的封裝尺寸只有4mm x 4mm，采用24引腳超薄型無引線（WQFN）封裝，可以說超小型的體積非常適用于目前追求小型化的電子產(chǎn)業(yè)。

圖1：TLV320ADC5140 Audio ADC

潛藏小身材下的高保真語音采集秘密

首要提及的便是上文所述的動態(tài)范圍增強器（DRE），其實這種技術(shù)對于熟悉音頻的人或許有所耳聞，另外在電源控制方面也有這項技術(shù)的應(yīng)用，不過在音頻ADC領(lǐng)域，TI是非常領(lǐng)先的。

據(jù)Abhi介紹，該項功能是與客戶探討開發(fā)的獨特功能，藉由此功能可將動態(tài)范圍從106dB提升至120dB的高水平。Abhi強調(diào)，與客戶探討時發(fā)現(xiàn)，語音控制受環(huán)境、距離因素產(chǎn)生的音量忽大忽小是常見問題。他表示，DRE整體是一套閉環(huán)控制的過程，采樣的信號經(jīng)過DRE分析后由可變增益放大器轉(zhuǎn)化，當(dāng)信號較小時，相關(guān)信號也將反饋于前級電子增益進(jìn)行調(diào)整。

圖2：德州儀器（TI）音頻產(chǎn)品市場工程師Abhi Muppiri先生解讀新型Burr-Brown_音頻ADC產(chǎn)品

除了DRE，這款A(yù)DC還會對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相位校正、波束成形和主動消噪算法，通過嵌入硬件的功能可以保證語音采樣的高保真，而客戶也可在處理器端使用相關(guān)算法進(jìn)而優(yōu)化。

Ahbi為記者介紹表示，即使智能音箱播放至最高音量，也可以清晰采樣用戶命令信息，再經(jīng)過app算法抵消相關(guān)聲音，即可獲取清晰的命令，這便是藉由DRE將動態(tài)范圍提升至120dB最明顯的優(yōu)點。

數(shù)字/模擬麥克風(fēng)的多重搭配催生新應(yīng)用

麥克風(fēng)目前擁有數(shù)字型和模擬型兩種，在外圍設(shè)備適配方面，Abhi強調(diào)，這款產(chǎn)品支持麥克風(fēng)輸入的四個模擬通道或八個數(shù)字通道，亦或是隨意組合進(jìn)行同步采樣，從而確保了系統(tǒng)靈活性，另外還提供增益和相位校準(zhǔn)等可編程功能，以均衡麥克風(fēng)陣列失配。

話題說到此處，或許會產(chǎn)生一些疑問，既然如此數(shù)字、模擬麥克風(fēng)究竟孰強孰弱？趙般多為記者解釋表示，數(shù)字麥克風(fēng)通常在功耗方面比模擬效果好，但信噪比方面模擬麥克風(fēng)則更佳，因此該款產(chǎn)品既支持?jǐn)?shù)字麥克風(fēng)也支持模擬麥克風(fēng)，客戶可根據(jù)實際需求進(jìn)行修改。

圖3：德州儀器（TI）華北區(qū)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理趙般多先生解讀新型Burr-Brown音頻ADC產(chǎn)品

正因擁有數(shù)字麥克風(fēng)和模擬麥克風(fēng)的“雙重加持”，才能搭配出不一樣的應(yīng)用。Abhi為記者舉了一個例子，一些電池供電的攝像頭可在待機狀態(tài)使用低功耗的數(shù)字麥克風(fēng)實時監(jiān)測環(huán)境，而當(dāng)監(jiān)測到有人闖入時，喚醒模擬麥克風(fēng)進(jìn)行高質(zhì)量音源采樣，這樣便兼顧了低功耗與高質(zhì)量。

覆蓋全行業(yè)需求的產(chǎn)品線

除了TLV320ADC5140，如此能“打”的產(chǎn)品還有兩個。目前，TI在音頻ADC上擁有TLV320ADC3140 / 5140 / 6140三款產(chǎn)品，而上文所主要介紹的5140則屬于中檔產(chǎn)品。價格方面，三款產(chǎn)品分別為$1.99 / $2.99 / $4.99，需要注意的該定價是為千件下的定價，在需求量不同時將會有所浮動。

具體來說，3140屬于入門級產(chǎn)品，因為沒有搭載DRE技術(shù)，所以動態(tài)范圍（DR）方面為106dB。而針對高端市場的6140本身就擁有113dB的動態(tài)范圍（DR），使用DRE技術(shù)可將動態(tài)范圍（DR）擴展到122dB，并達(dá)到123dB的信噪比（SNR）。

據(jù)Abhi介紹，如此定檔和定價的原因在于相信不同的類型的產(chǎn)品會用到不同的應(yīng)用產(chǎn)品里去。他表示，3140屬入門級產(chǎn)品，在一些智能音箱、電視上或許檢測聲音距離并不遠(yuǎn)，因此3140足以滿足需求；而在需要檢測更遠(yuǎn)距離或嘈雜環(huán)境下，5140可以滿足要求；一些專業(yè)錄音場景應(yīng)用下面對的問題就是如何在有限空間內(nèi)獲取最高的性能，因此6140可以滿足頂級的需求。

除了三款可供選擇的音頻ADC，TI還提供了全套產(chǎn)品線的產(chǎn)品組合。眾所周知，Burr-Brown是一家成立于1956年的模擬器件廠商，據(jù)Abhi介紹，自2000年Burr Brown被TI收購以后，一直延續(xù)本品牌在音頻上的獨特技術(shù)和發(fā)展，其中不僅擁有ADC/DAC，還包括高性能D類放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和運算放大器的全套音頻產(chǎn)品組合。

圖4：TI Burr-Brown音頻技術(shù)

另外，據(jù)趙般多介紹，在集成型的產(chǎn)品，諸如Codec，TI也在持續(xù)關(guān)注和投入，相關(guān)產(chǎn)品也將會被發(fā)布。當(dāng)然是集成好還是分開好，具體還應(yīng)取決于應(yīng)用方向和客戶的選擇。

目前著重于智能家居市場

Abhi對記者介紹表示，相較于歐美和日本，智能家居中國處于領(lǐng)先水平，除了智能音箱以外，電視、冰箱、空調(diào)均在向語音交互方面發(fā)展。目前來說已在中國市場擁有許多領(lǐng)先家電廠商合作，并推行語音交互方面發(fā)展的計劃。

當(dāng)然，車載環(huán)境也是TI要抓住的重點，不過因為汽車擁有不同的需求和質(zhì)量評價體系，因此針對汽車應(yīng)用市場將會在明年發(fā)布相關(guān)的專屬產(chǎn)品，針對汽車應(yīng)用進(jìn)行質(zhì)量相關(guān)的評價和特殊定制。

圖5：高保真音頻適用于要求頂級音質(zhì)的應(yīng)用

Abhi強調(diào)，TI是一家模擬占比非常大的公司，強項在于制造、工藝、設(shè)計理念的積累和IT方面的積累，因此會發(fā)揮好優(yōu)勢以做出真正適合智能家居音頻這一市場的產(chǎn)品。

在音頻方面，諸如今年大火的TWS耳機，TI也擁有成功案例。本次所發(fā)布的TLV320ADC5140適用于對前端模擬信號采集質(zhì)量要求非常高的場景，隨著智能家居音頻市場的不斷擴張，對于采樣的標(biāo)準(zhǔn)也將越來越高。