靈活高效的音頻耳機(jī)開發(fā)驗(yàn)證平臺 - 全文

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。在這種環(huán)境下，耳機(jī)的市場生命周期越來越短，事實(shí)上，部分產(chǎn)品甚至只有半年左右的銷售期，這給產(chǎn)品研發(fā)時間帶來很大的壓力。若要在市場競爭中搶得先機(jī)，必須提供競爭所沒有的耳機(jī)功能。Plantronics公司已經(jīng)開發(fā)出一種新的設(shè)計平臺，幫助客戶加速創(chuàng)新、開發(fā)和進(jìn)行驗(yàn)證。

研發(fā)上的挑戰(zhàn)

一個消費(fèi)性電話耳機(jī)由幾個交互式零件組成，每一項都擁有很大的差異。 例如，要能有效清除噪音取決于麥克風(fēng)、耳機(jī)、電子信號處理和人機(jī)互動。因?yàn)橐揽克^有著”金耳朵”(golden ears)的聽眾來評估音頻質(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)過程中。

試想一個測試情景，某個金耳朵監(jiān)測到一個音頻問題，也許是使用適應(yīng)性增益(adaptive gain)，開發(fā)人員使用計算機(jī)上的IDE來修改適應(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)，然后再重新來一次測試流程。每一個所偵測到的錯誤(bug)都會導(dǎo)致另一個成本增加，這使得編譯-構(gòu)建-下載的循環(huán)流程昂貴且耗時。

分析這個過程，顯然更有效的方式是去”調(diào)整(tune)”信號處理算法，即在通話過程中機(jī)動調(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誤的時間及成本，且提高產(chǎn)品性能。在這個適應(yīng)性增益的例子中，如果能在測試進(jìn)行中隨時修改增益算法，便能更加迅速地實(shí)現(xiàn)和測試我們的解決方法。

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

雖然無法消除這種構(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，便可以在嵌入式開發(fā)開始之前，迅速的建立及測試算法和系統(tǒng)，這能在開始實(shí)現(xiàn)到嵌入式目標(biāo)之前，提前修正系統(tǒng)中的錯誤。不過，要做到這一點(diǎn)，需要一個可以納入人類聽眾、音頻硬件和信號處理等不同系統(tǒng)的共同平臺，還需要一個在操作時可以改變及修正的研發(fā)平臺，當(dāng)然，同時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

在PC上可以進(jìn)行實(shí)時(real-time)音頻處理，其實(shí)已經(jīng)有一段時間了，然而，這需要定制化的軟件開發(fā)或?qū)Ｓ玫囊纛l處理軟件才行，不過，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)，通過可靈活使用與隨時可用的仿真軟件，PC最近也可以用來建立實(shí)時的音頻處理系統(tǒng)模型。而通過將仿真軟件與音頻硬件鏈接，可以建立一個開發(fā)測試平臺，既靈活又實(shí)惠。

Plantronics的平臺包括三個要素：一臺標(biāo)準(zhǔn)PC、仿真軟件，和外部音頻硬件(見圖1)

2011-11-16 11:28:20 上傳

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圖 1. Plantronics研發(fā)及驗(yàn)證的開發(fā)平臺

個人計算機(jī) 包括一個音頻串流輸入/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)項目提供了幾種關(guān)鍵優(yōu)勢。首先，它可以與許多外部硬件無縫連接，包括大部份的ASIO聲卡，這對于應(yīng)用至關(guān)重要。其次，它是一個可可視化的設(shè)計環(huán)境，可使工程師能夠輕松地與他們建立的模型進(jìn)行互動并交付執(zhí)行。最后，它可以讓工程師在運(yùn)行仿真時隨時改變模型的參數(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，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。從電話網(wǎng)絡(luò)或從麥克風(fēng)來的模擬信號，通過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FireWire連接匯入計算機(jī)。

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

該平臺在Simulink內(nèi)執(zhí)行大多數(shù)的實(shí)時信號處理算法，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， 可以與Simulink模型互動、調(diào)整參數(shù)的變化，例如，可以在一個實(shí)際的通話中更改增益算法，在測試過程中，甚至可以切換到一個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)。

在測試完成之后，若對信號處理系統(tǒng)運(yùn)行正常感到滿意，就將這個系統(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，這一次，在開始嵌入式開發(fā)之前，就已經(jīng)充份地仿真整個系統(tǒng)，并找出幾乎所有的錯誤。使用這種新研發(fā)流程，已經(jīng)大大降低了開發(fā)和驗(yàn)證時間。

發(fā)展和驗(yàn)證的平臺

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

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

對音頻研發(fā)來說，分析信號的音頻性能是相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)程序開發(fā)的工作，但該平臺能夠進(jìn)一步的對正在通話中的電話測試算法。在算法和系統(tǒng)的驗(yàn)證過程中， 將硬件與仿真模型鏈接，隨著模型的實(shí)時運(yùn)行，使用該平臺進(jìn)行現(xiàn)場電話呼叫，例如，一位金耳朵聽眾參加電話會議，隨之調(diào)整各種參數(shù)來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很好的例子，如果沒有經(jīng)過信號處理，用戶會聽到因?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??不是一件簡單的事，有兩個音頻會輸入到系統(tǒng)中：一是電話網(wǎng)絡(luò)，另一是從麥克風(fēng)輸入的音頻。回聲消除必須同時考慮音頻信號來源，又要能適度地消除信號，這樣用戶才會只聽到電話網(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)了兩個不同的回聲消除算法(參見圖2)，以及進(jìn)行模擬，看看哪個效果最好。

2011-11-16 11:28:20 上傳

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圖 2. 在Simulink中的一個回聲消除系統(tǒng)模型

為了測試回聲消除算法，可以在模型中實(shí)現(xiàn)它們，然后將研發(fā)平臺連接到電話網(wǎng)絡(luò)。在正在通話的電話會議上，通過修改算法設(shè)定以改善音頻質(zhì)量；在實(shí)時操作的各種情境下，評估通話系統(tǒng)的質(zhì)量，包括通話音量范圍。在同一通電話中，可以從一個回聲消除算法切換到另一個，比較在相同條件下的清晰度。這很容易比較兩種算法的清晰度，因?yàn)榭梢栽谒鼈冎g切換，而無需重新編譯，也不需停止模擬或重打一通電話。

除了?消除回聲，耳機(jī)也需要線路消除算法(line cancellation algorithms)來處理因?yàn)殡娫捑W(wǎng)絡(luò)所引起的回聲，以及需要動態(tài)的范圍控制，如動態(tài)改變音量，提高低音量的聲音，并限制高音量的聲音。而其他的各種算法也都需要以符合法規(guī)，例如，歐盟要求耳機(jī)具有抗驚嚇屬性，即限制耳機(jī)的音量不容許它們迅速提高音量。Plantronics正利用這個研發(fā)平臺，來快速開發(fā)和驗(yàn)證所有這些算法或更多算法。此外，還可以利用這個平臺來進(jìn)行更明智的的材料清單決策。例如，揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)均衡地使用較便宜的傳感器，看是否可提供更好的音頻質(zhì)量，新平臺能夠評估這些選擇。

本文結(jié)論

在市場的迫切驅(qū)動下，Plantronics公司開發(fā)了一種創(chuàng)新的研發(fā)和驗(yàn)證平臺，以縮短設(shè)計、開發(fā)和測試的周期。該平臺本身具有成本效益，因?yàn)樗詷?biāo)準(zhǔn)PC、Simulink仿真軟件，以及標(biāo)準(zhǔn)的音頻設(shè)備為基礎(chǔ)。更重要的是，能夠檢查和修正正在進(jìn)行通話的系統(tǒng)，該平臺提供了設(shè)計層級的洞察力，提高了以前所缺乏的對于系統(tǒng)屬性的認(rèn)識，這使得大多數(shù)的設(shè)計問題都能加以模擬，從而簡化嵌入式目標(biāo)開發(fā)工作。

在一般情況下，研發(fā)速度的增加是來自于犧牲產(chǎn)品質(zhì)量或者是增加預(yù)算開支。該平臺則能夠兼顧三個面向：加速研發(fā)速度，不斷降低成本，并開發(fā)出更好耳機(jī)。