靈活高效的音頻耳機(jī)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)

關(guān)鍵詞： 耳機(jī) , 驗(yàn)證

Richard Hodges，Plantronics首席科學(xué)家

電話耳機(jī)的消費(fèi)市場(chǎng)一向以創(chuàng)新產(chǎn)品和快節(jié)奏著稱。幾乎每星期，都有公司推出新產(chǎn)品，且是全新功能推向市場(chǎng)。在這種環(huán)境下，耳機(jī)的市場(chǎng)生命周期越來(lái)越短，事實(shí)上，部分產(chǎn)品甚至只有半年左右的銷(xiāo)售期，這給產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間帶來(lái)很大的壓力。若要在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中搶得先機(jī)，必須提供競(jìng)爭(zhēng)所沒(méi)有的耳機(jī)功能。Plantronics公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的設(shè)計(jì)平臺(tái)，幫助客戶加速創(chuàng)新、開(kāi)發(fā)和進(jìn)行驗(yàn)證。

研發(fā)上的挑戰(zhàn)

一個(gè)消費(fèi)性電話耳機(jī)由幾個(gè)交互式零件組成，每一項(xiàng)都擁有很大的差異。 例如，要能有效清除噪音取決于麥克風(fēng)、耳機(jī)、電子信號(hào)處理和人機(jī)互動(dòng)。因?yàn)橐揽克^有著”金耳朵”(golden ears)的聽(tīng)眾來(lái)評(píng)估音頻質(zhì)量，所以用戶相當(dāng)程度上也是耳機(jī)研發(fā)過(guò)程的一部分。

為了提供更好的音頻質(zhì)量和更多的功能，添加更多的信號(hào)處理，這就需要更強(qiáng)大的嵌入式硬件和軟件，因此Plantronics將編譯-構(gòu)建-下載延遲(compile-build-download delays)導(dǎo)入在研發(fā)過(guò)程中。

試想一個(gè)測(cè)試情景，某個(gè)金耳朵監(jiān)測(cè)到一個(gè)音頻問(wèn)題，也許是使用適應(yīng)性增益(adaptive gain)，開(kāi)發(fā)人員使用計(jì)算機(jī)上的IDE來(lái)修改適應(yīng)性增益算法、重新編譯并在軟件中建立算法；接著將所建立好的軟件，下載并置入嵌入式硬件內(nèi)，然后再重新來(lái)一次測(cè)試流程。每一個(gè)所偵測(cè)到的錯(cuò)誤(bug)都會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)成本增加，這使得編譯-構(gòu)建-下載的循環(huán)流程昂貴且耗時(shí)。

分析這個(gè)過(guò)程，顯然更有效的方式是去”調(diào)整(tune)”信號(hào)處理算法，即在通話過(guò)程中機(jī)動(dòng)調(diào)整算法的參數(shù)，甚至完全改變所使用算法，這能夠大幅降低修正錯(cuò)誤的時(shí)間及成本，且提高產(chǎn)品性能。在這個(gè)適應(yīng)性增益的例子中，如果能在測(cè)試進(jìn)行中隨時(shí)修改增益算法，便能更加迅速地實(shí)現(xiàn)和測(cè)試我們的解決方法。

不幸的是，標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境無(wú)法提供或僅能有限度的提供這種實(shí)時(shí)(real-time)、動(dòng)態(tài)(on-the-fly)的修改。

雖然無(wú)法消除這種構(gòu)建-編譯-下載的研發(fā)周期，但若能使用正確的研發(fā)平臺(tái)，便可以在嵌入式開(kāi)發(fā)開(kāi)始之前，迅速的建立及測(cè)試算法和系統(tǒng)，這能在開(kāi)始實(shí)現(xiàn)到嵌入式目標(biāo)之前，提前修正系統(tǒng)中的錯(cuò)誤。不過(guò)，要做到這一點(diǎn)，需要一個(gè)可以納入人類聽(tīng)眾、音頻硬件和信號(hào)處理等不同系統(tǒng)的共同平臺(tái)，還需要一個(gè)在操作時(shí)可以改變及修正的研發(fā)平臺(tái)，當(dāng)然，同時(shí)它還兼具靈活性及成本效益。

靈活且可負(fù)擔(dān)的研發(fā)平臺(tái)

在PC上可以進(jìn)行實(shí)時(shí)(real-time)音頻處理，其實(shí)已經(jīng)有一段時(shí)間了，然而，這需要定制化的軟件開(kāi)發(fā)或?qū)Ｓ玫囊纛l處理軟件才行，不過(guò)，定制化軟件雖提供了靈活性，卻非常昂貴；相比之下，專用音頻處理軟件便宜許多，但相當(dāng)不靈活。

由于PC處理能力的改進(jìn)，通過(guò)可靈活使用與隨時(shí)可用的仿真軟件，PC最近也可以用來(lái)建立實(shí)時(shí)的音頻處理系統(tǒng)模型。而通過(guò)將仿真軟件與音頻硬件鏈接，可以建立一個(gè)開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)，既靈活又實(shí)惠。

Plantronics的平臺(tái)包括三個(gè)要素：一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)PC、仿真軟件，和外部音頻硬件(見(jiàn)圖1)

2011-11-16 11:28:20 上傳

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圖 1. Plantronics研發(fā)及驗(yàn)證的開(kāi)發(fā)平臺(tái)

個(gè)人計(jì)算機(jī) 包括一個(gè)音頻串流輸入/輸出(ASIO)聲卡。 ASIO是要保證采樣精確同步(sample-accurate synchronization)和固定處理發(fā)送和接收信號(hào)之間的延遲。聲卡主要處理音頻的輸入和輸出，且扮演仿真軟件和數(shù)字音頻數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的中介角色。

仿真軟件 Plantronics采用Mathworks Simulink軟件。選擇Simulink，是因?yàn)樗鼮樵撗邪l(fā)項(xiàng)目提供了幾種關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。首先，它可以與許多外部硬件無(wú)縫連接，包括大部份的ASIO聲卡，這對(duì)于應(yīng)用至關(guān)重要。其次，它是一個(gè)可可視化的設(shè)計(jì)環(huán)境，可使工程師能夠輕松地與他們建立的模型進(jìn)行互動(dòng)并交付執(zhí)行。最后，它可以讓工程師在運(yùn)行仿真時(shí)隨時(shí)改變模型的參數(shù)。

音頻硬件 鏈接仿真軟件、用戶和電話網(wǎng)絡(luò)。有線電話系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電壓比音頻電子高得多，所以需利用電壓隔離器將其余的系統(tǒng)隔開(kāi)。從電話網(wǎng)絡(luò)或從麥克風(fēng)來(lái)的模擬信號(hào)，通過(guò)MOTU FireWire 828mk2音訊I / O盒(使用ASIO軟件接口)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式（使用脈沖編碼調(diào)節(jié)器或PCM）；然后數(shù)字音頻數(shù)據(jù)通過(guò)FireWire連接匯入計(jì)算機(jī)。

這個(gè)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境所唯一需要定制化的部份是，需要一個(gè)Simulink模塊(Block)，做為讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)連接ASIO接口。

該平臺(tái)在Simulink內(nèi)執(zhí)行大多數(shù)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理算法，為了提高效率，通常采用使用Simulink快速加速器模式(Rapid Accelerator mode)，從而加快了仿真速度。當(dāng)進(jìn)行仿真時(shí)， 可以與Simulink模型互動(dòng)、調(diào)整參數(shù)的變化，例如，可以在一個(gè)實(shí)際的通話中更改增益算法，在測(cè)試過(guò)程中，甚至可以切換到一個(gè)完全不同的音頻處理算法，例如，這種功能能夠比較多種不同的回聲消除算法(echo cancellation algorithms)。

在測(cè)試完成之后，若對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)運(yùn)行正常感到滿意，就將這個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)到嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)中。使用和以前相同的編譯-構(gòu)建-下載的周期，不過(guò)，這一次，在開(kāi)始嵌入式開(kāi)發(fā)之前，就已經(jīng)充份地仿真整個(gè)系統(tǒng)，并找出幾乎所有的錯(cuò)誤。使用這種新研發(fā)流程，已經(jīng)大大降低了開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證時(shí)間。

發(fā)展和驗(yàn)證的平臺(tái)

這個(gè)平臺(tái)不僅可以進(jìn)行音頻算法開(kāi)發(fā)，也可以進(jìn)行算法和系統(tǒng)的驗(yàn)證。該平臺(tái)可用于有線耳機(jī)，以及藍(lán)牙兼容的耳機(jī)(通過(guò)Plantronics公司音頻I/O專用的藍(lán)牙USB加密器)。

Plantronics將在MATLAB或C開(kāi)發(fā)的個(gè)別算法，組合到Simulink系統(tǒng)中。利用Simulink產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)（例如，正弦喳噪音），通過(guò)Simulink的圖形功能，可以快速地檢查信號(hào)的屬性，如能量譜密度(energy spectral density)等。

對(duì)音頻研發(fā)來(lái)說(shuō)，分析信號(hào)的音頻性能是相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)程序開(kāi)發(fā)的工作，但該平臺(tái)能夠進(jìn)一步的對(duì)正在通話中的電話測(cè)試算法。在算法和系統(tǒng)的驗(yàn)證過(guò)程中， 將硬件與仿真模型鏈接，隨著模型的實(shí)時(shí)運(yùn)行，使用該平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)電話呼叫，例如，一位金耳朵聽(tīng)眾參加電話會(huì)議，隨之調(diào)整各種參數(shù)來(lái)改善電話中的音頻質(zhì)量。

回聲消除算法為該流程提供了一個(gè)很好的例子，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)信號(hào)處理，用戶會(huì)聽(tīng)到因?yàn)辂溈孙L(fēng)和耳機(jī)的反饋而產(chǎn)生的回聲和嘯叫聲。消除回聲??不是一件簡(jiǎn)單的事，有兩個(gè)音頻會(huì)輸入到系統(tǒng)中：一是電話網(wǎng)絡(luò)，另一是從麥克風(fēng)輸入的音頻?；芈曄仨毻瑫r(shí)考慮音頻信號(hào)來(lái)源，又要能適度地消除信號(hào)，這樣用戶才會(huì)只聽(tīng)到電話網(wǎng)絡(luò)的音頻。有好幾種回音消除技術(shù)可以使用，而每種都有自己的參數(shù)可供微調(diào)。在Plantronics公司，Simulink實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同的回聲消除算法(參見(jiàn)圖2)，以及進(jìn)行模擬，看看哪個(gè)效果最好。

2011-11-16 11:28:20 上傳

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