小體積超低功耗語(yǔ)音喚醒耳機方案——帝思DSPG D4P

隨著(zhù)AI的普及，越來(lái)越多人使用智能語(yǔ)音控制，從智能音箱慢慢開(kāi)始延伸到智能耳機領(lǐng)域。目前市場(chǎng)的大部分耳機還是以手動(dòng)喚醒語(yǔ)音助手為主，主要問(wèn)題還是在語(yǔ)音檢測方面功耗和開(kāi)發(fā)難度問(wèn)題，。本方案將為大家介紹一套開(kāi)發(fā)難度小且功耗低的語(yǔ)音喚醒方案——DBMD4P + QCC3044，該方案在頭戴耳機和運動(dòng)型耳機上都適用。

首先介紹一下這款DBMD4P的公司——DSP Group，它是家庭和辦公室的集成通信無(wú)線(xiàn)芯片產(chǎn)品全球領(lǐng)先的提供商。DSPg提供軟件半導體系統產(chǎn)品和參考設計，使ODM、 DEM、 消費電子產(chǎn)品制造商和服務(wù)提供商能夠經(jīng)濟高效地開(kāi)發(fā),快速實(shí)現市場(chǎng)創(chuàng )收的新產(chǎn)品。該公司處于半導體創(chuàng )新的前沿并實(shí)現卓越運營(yíng)超過(guò)二十年，提供了一個(gè)廣泛的無(wú)線(xiàn)芯片集成組合DEC/ CAT-iq、DECT ULE、Wi - Fi、PSTN、BoneTone智能語(yǔ)音增強和噪聲消除器、視頻和VoIP技術(shù)。 DSPg使集成的聲音、音頻、視頻和數據連接不同消費者和商業(yè)產(chǎn)品，包括連接多媒體屏幕、移動(dòng)設備、家庭安全自動(dòng)化、無(wú)線(xiàn)電話(huà)、網(wǎng)絡(luò )電話(huà)系統和家庭網(wǎng)關(guān)。利用行業(yè)領(lǐng)先的經(jīng)驗和專(zhuān)業(yè)知識，DSPg集團與CE制造商和服務(wù)提供商合作來(lái)塑造未來(lái)家庭和辦公室的集成通信。

DBMD系列憑著(zhù)極高的性?xún)r(jià)比，至今已向全球提供超一億顆芯片，國內外各大智能語(yǔ)音引擎（如谷歌，亞馬遜，思必馳，出門(mén)問(wèn)問(wèn)等）都已有成熟算法方案在DBMD系列芯片上運行。從支持AI的TWS耳機到支持語(yǔ)音的智能家居，再到物聯(lián)網(wǎng)，安防，手機，平板電腦和筆記本電腦中，DSPg的身影無(wú)處不在。

其中DBMD4P是一款適用于電池供電設備（如手機，IoT，可穿戴設備等）的超低功耗語(yǔ)音和傳感器數據處理器。這處理器可實(shí)現各種應用，例如語(yǔ)音觸發(fā)（VT）、語(yǔ)音驗證（VA）、語(yǔ)音命令（VC）、傳感器數據處理和均衡器功能。DBMD4P是基于TeakLite-III?DSP 架構的處理器，具備與系統中其他設備（例如應用處理器（AP），編解碼器，麥克風(fēng)和傳感器）進(jìn)行通信所需的接口（如TDM，I2c，SPI，Uart等），加上已有的成熟算法，可為客戶(hù)快速開(kāi)發(fā)出想要的功能。

QCC3044大家應該也很熟悉，這是高通推出的新一代雙聲道藍牙芯片，采用最新的BT5.2藍牙標準，具備24bit DSP處理能力，這必然會(huì )帶有有高通優(yōu)秀的Aptx HD編碼。同時(shí)這款芯片內置了flash，減少了外圍器件成本和采購flash的壓力。穩定的平臺賦能，卓越的音樂(lè )品質(zhì)，強悍的電源管理，豐富的功能接口和產(chǎn)業(yè)公認的低功耗是這套方案的不二之選，搭配DSPg的芯片可謂強強聯(lián)合。

方案實(shí)現

D4p和QCC3044主要引腳連接

DBMD_INT：當D4P檢測到有較大幅度聲音變化時(shí)，就會(huì )啟動(dòng)識別引擎去識別這聲音是否為喚醒詞，如果識別是喚醒詞，就通過(guò)這個(gè)引腳把AP喚醒，再進(jìn)入語(yǔ)音傳輸模式（Audio Buffering）。

RSTN：該引腳為D4P的復位腳，在每次燒錄FW之前，都需要下拉該引腳一段時(shí)間。

WAKEUP：該引腳為AP喚醒D4P的引腳，當D4P進(jìn)入Hibernate時(shí)，只能通過(guò)該引腳喚醒。

SPI（或I2C、Uart）：這組引腳用于A(yíng)P與D4P之間的數據交互（如FW文件傳輸，配置和控制指令）。在D4P進(jìn)入語(yǔ)音傳輸模式時(shí)（Audio Buffering），AP會(huì )通過(guò)SPI（或I2C、Uart）讀取拾取的語(yǔ)音指令數據做進(jìn)一步的語(yǔ)音指令識別。

程序控制

先了解D4p的5種工作模式，如下圖：

Idle：Boot Firmware之后，系統會(huì )在idle模式，這個(gè)狀態(tài)主要用于配置參數，為接下來(lái)的模式做準備

Audio Buffering：該模式是將聲音都放到buffer中，讓AP去提取使用

Detection：在該模式下，系統用較低的功耗檢測環(huán)境聲音，當有明顯聲音波動(dòng)時(shí)，系統進(jìn)入語(yǔ)音識別狀態(tài)，識別成功后，進(jìn)入聲音傳輸狀態(tài)

Sleep：該模式關(guān)閉ADC采集和處理， 保留與AP通訊能力

Hibernate：系統關(guān)閉處理功能，AP無(wú)法通訊，只有AP用IO喚醒才能恢復到Idle模式

Microphone：該模式用于debug，mic聲音數據直接通過(guò)uart輸出

根據這幾個(gè)模式，在QCC3044中加入對應的處理

1）QCC3044開(kāi)機時(shí)，對D4P復位并燒錄FW文件（Idle模式）

2）配置D4P參數，并進(jìn)入Sleep或Hibernate模式

3）QCC3044接收到用戶(hù)指示，喚醒并控制D4P開(kāi)啟語(yǔ)音檢測模式（Detection模式）

4）D4P檢測喚醒詞，喚醒QCC3044做語(yǔ)音識別（Audio Buffering模式）

設計要點(diǎn)

1）Boot模式選擇：D4P支持多種boot模式，若需要獨立啟動(dòng)可從flash加載程序；若從AP加載程序，可從Uart、SPI或I2C選一種加載，方便不同主控端選擇。加載時(shí)芯片會(huì )自動(dòng)識別當前通訊協(xié)議，從而自動(dòng)選擇對應的通訊方式。大致流程如下：

2）Mic設計：mic輸入是差分信號，所以振幅比較低，設計時(shí)需要將mic的線(xiàn)路平行并盡可能靠近。Mic到D4p之間需要保持相同的距離和相同的阻抗。Mic的濾波電容應靠近mic，而其他部分則盡可能靠近D4p端。

3）實(shí)體mic之間的距離越大越好，這樣有助于算法做beam forming

4）Uart引腳需要預留出來(lái)，調算法和debug時(shí)候都需要用到

5）Reset引腳是必須要接上的，D4p每次燒Firmware之前都需要拉低reset一下

6）Uart通訊時(shí)，D4p會(huì )自動(dòng)識別比特率，但在此之前需要發(fā)送16個(gè)0進(jìn)行同步

此外這個(gè)設計的連接方式同樣適用于其他藍牙、WiFi、ARM等應用平臺。如要做通話(huà)降噪應用，D4P也提供了I2S接口，可將處理后的音頻數據傳入AP端。