Речевой кодек с ультра-низким энергопотреблением и открытым кодом от CML Microcircuits

Микроэлектромеханические системы (MEMS) оказывают все большее влияние на технологии Интернета вещей, поскольку традиционные механические датчики заменяются микроскопическими, электромеханическими функциональными аналогами в широком спектре устройств, таких как акселерометры, гироскопы, датчики давления и наклона. Эта тенденция, пожалуй, наиболее очевидна в недавнем росте популярности микрофонов MEMS, которые сегодня можно применяются во многих электронных устройствах, включая смартфоны, оборудование для дистанционного управления и бытовую технику, такую как холодильники, кондиционеры и т.д.

Рисунок 1 – Устройство микрофона MEMS.

Рисунок 1 – Устройство микрофона MEMS.

На рисунке 1 приведен пример классического MEMS-микрофона, который использует электростатическое преобразование или переменную емкость для преобразования физического стимула в электрический сигнал. Это самый популярный тип датчика MEMS из-за простоты его изготовления на кремнии, что облегчает интеграцию механического устройства и электронной схемы на одном кристалле. Преобразовательный элемент микрофона содержит подвижную мембрану и неподвижную заднюю пластину, при этом емкость между ними изменяется, вследствие изгиба мембраны из-за давления воздуха от звуковых волн.

Микрофоны MEMS могут иметь как аналоговый, так и в цифровой выходной сигнал. Однако цифровые версии являются наиболее популярным выбором разработчиков, поскольку с их помощью обычно легче разрабатывать и реализовывать конечные решения и приложения. В цифровом микрофоне MEMS, рисунок 2, выходной сигнал преобразователя усиливается и преобразуется в цифровой, а затем модулируется для получения однобитового выходного сигнала PDM с избыточной дискретизацией.

Рисунок 2 – Схема цифрового микрофона MEMS.

Рисунок 2 – Схема цифрового микрофона MEMS.

Несмотря на преимущества микрофонов MEMS, их распространение ограничивает отсутствие подходящих интерфейсных устройств. Однобитовый выход PDM требует дополнительной обработки сигнала, прежде чем он может быть использован в устройстве, для большинства из которых требуются входные сигналы в формате PCM. Традиционные устройства речевых кодеков были разработаны для обработки аналоговых микрофонных выходов, а большинство современных кодеков были разработаны для удовлетворения потребностей мультимедийных устройств. Таким образом, разработчик сталкивается с выбором: добавлять дополнительные схемы к изначально неоптимальному устройству или начинать разработку с нуля - ни один из вариантов не желателен в среде Интернета вещей, где быстрые циклы разработки и низкие затраты так же важны, как малый размер и низкое энергопотребление всех устройств.

Чтобы заполнить данную рыночную нишу, CML выпустила CMX655D - речевой кодек нового поколения, разработанный с учетом особых потребностей микрофона MEMS (рисунок 3).

 

Рисунок 3 – Блок-схема речевого кодека CMX655D.

Рисунок 3 – Блок-схема речевого кодека CMX655D.

CMX655D объединяет основные функции интерфейса микрофона MEMS в одном недорогом устройстве со сверхнизким энергопотреблением. Выходной сигнал переменной частоты позволяет поддерживать как обычную телефонию (300 Гц - 3,4 кГц), так и речевой HD формат (50 Гц - 7 кГц), а также полный звуковой диапазон (50 Гц - 20 кГц). Устройство может взаимодействовать с двумя микрофонами одновременно, поддерживая приложения внешнего шумоподавления. Ключевым отличием является наличие высокоэффективного усилителя класса D, поддерживающего такие приложения, как smart-колонки. CMX655D идеально подходит для питания от аккумуляторов, потребляя менее 1 мА в режиме записи и 400 мкА в режиме прослушивания.

Для устройств с высокой степенью интеграции, таких как CMX655D, требуются комплексные инструменты разработки, позволяющие проектировщику настраивать и контролировать работу устройства, а также создавать приложения. При определении стратегии развития CMX655D компания CML тщательно учла потребности своих клиентов - разработчиков устройств, ориентированных на рынок Интернета вещей. В этой быстро меняющейся среде успех любого приложения зависит от его скорости вывода на рынок, а также от его цены, и все больше и больше разработчиков осознают преимущества в скорости, гибкости и стоимости подходов с открытым исходным кодом, таких как Raspberry Pi (RPi).

С запуском в 2014 году интерфейса Hardware Attached on Top (HAT), позволяющего легко подключать периферийные устройства и оборудование, система RPi вышла из сфер увлечения и образования, и стала практическим инструментом для профессионального инженера. Выпустив на рынок плату EV6550DHAT (рисунок 4), CML обеспечила совместимость CMX655D со средой RPi, предоставив разработчику доступ к такому мощному инструменту разработки с операционной системой RPi на базе Linux.

Рисунок 4 – Внешний вид отладочной платы EV6550DHAT.

Рисунок 4 – Внешний вид отладочной платы EV6550DHAT.

Проектирование аудиоинтерфейса требует определенного набора навыков, и, поскольку время выхода на рынок критично, разработчику не всегда практично тратить время на приобретение этих знаний; основное внимание должно быть уделено быстрому развитию конкретных функций приложения, что, в конце концов, является отличительным признаком продукта. Поэтому компания CML пошла еще дальше, выпустив также установщик драйвера EV6550DHAT-ALSA для среды CMX655D / RPi. Фреймворк ALSA (Advanced Linux Sound Architecture) является частью ядра Linux и предоставляет API для драйверов устройств звуковой карты. Реализовав этот драйвер, CML упростил жизнь разработчикам, позволяя использовать любое звуковое приложение высокого уровня, совместимое с ALSA.

CMX655D создал мощное устройство, призванное восполнить недостаток подходящих речевых кодеков, который ограничивал рост микрофонов MEMS на рынке Интернета вещей. В то же время, отказавшись от собственной среды разработки, CML осознала потребности своих клиентов, что позволило разработчикам, выбравшим CMX655D, воспользоваться преимуществами мощности, гибкости и низкой стоимости инструментов с открытым исходным кодом, таких как RPi и ALSA.

Дополнительную информацию Вы можете найти по ссылкам:

CMX655D (https://www.cmlmicro.com/products/cmx655d-ultra-low-power-voice-codec),

EV6550DHAT (https://www.cmlmicro.com/products/ev6550dhat-raspberry-pi-hat-for-cmx655d).

Перевод:
Павел Сацердов, rf@macrogroup.ru

Оригинал статьи:

The CMX655D – an Open-Source Solution to the Voice Codec Challenge