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当灵活高效的音频耳机开发验证平台

发布时间:2021-09-10 09:22:06 阅读: 来源:码垛机厂家

灵活高效的音频耳机开发验证平台

耳机的消费市场一向以创新产品和快节奏著称。几乎每星期,都有公司推出新产品,且是全新功能推向市场。在这种环境下,耳机的市场生命周期越来越短,事实上,部分产品甚至只有半年左右的销售期,这给产品研发时间带来很大的压力。若要在市场竞争中抢得先机,必须提供竞争所没有的耳机功能。Plantronics公司已经开发出一种新的设计平台,帮助客户加速创新、开发和进行验证。

研发上的挑战

一个消费性耳机由几个交互式零件组成,每一项都拥有很大的差异。 例如,要能有效清除噪音取决于麦克风、耳机、电子信号处理和人机互动。因为要依靠所谓有着”金耳朵”(golden ears)的听众来评估音频质量,所以用户相当程度上也是耳机研发过程的一部分。

为了提供更好的音频质量和更多的功能,添加更多的信号处理,这就需要更强大的嵌入式硬件和软件,因此Plantronics将编译-构建-下载延迟(compile-build-download delays)导入在研发过程中。

试想一个测试情景,某个金耳朵监测到一个音频问题,也许是使用适应性增益(adaptive gain),开发人员使用计算机上的IDE来修改适应性增益算法、重新编译并在软件中建立算法;接着将所建立好的软件,下载并置入嵌入式硬件内,然后再重新来一次测试流程。每一个所侦测到的错误(bug)都会导致另一个成本增加,这使得编译-构建-下载的循环流程昂贵且耗时。

分析这可实现实验力、实验力峰值、横梁位移、试样变形及实验曲线的屏幕显示个过程,显然更有效的方式是去”调整(tune)”信号处理算法,即在通话过程中机动调整算法的参数,甚至完全改变所使用算法,这能够大幅降低修正错误的时间及成本,且提高产品性能。在这个适应性增益的例子中,如果能在测试进行中随时修改增益算法,便能更加迅速地实现和测试我们的解决方法。

不幸的是,标准的嵌入式开发环境无法提供或仅能有限度的提供这种实时(real-time)、动态(on-the-fly)的修改。

虽然无法消除这种构建-编译-下载的研发周期,但若能使用正确的研发平台,便可以在嵌入式开发开始之前,迅速的建立及测试算法和系统,这能在开始实现到嵌入式目标之前,提前修正系统中的错误。不过,要做到这一点,需要一个可以纳入人类听众、音频硬件和信号处理等不同系统的共同平台,还需要一个在操作时可以改变及修正的研发平台,当然,同时它还兼具灵活性及成本效益。

灵活且可负担的研发平台

在PC上可以进行实时(real-time)音频处理,其实已经有一段时间了,然而,这需要定制化的软件开发或专用的音频处理软件才行,不过,定制化软件虽提供了灵活性,却非常昂贵;相比之下,专用音频处理软件便宜许多,但相当不灵活。

由于PC处理能力的改进,通过可灵活使用与随时可用的仿真软件,PC最近也可以用来建立实时的音频处理系统模型。而通过将仿真软件与音频硬件链接,可以建立一个开发测试平台,既灵活又实惠。

Plantronics的平台包括三个要素:一台标准PC、仿真软件,和外部音频硬件(见图1)

图 1. Plantronics研发及验证的开发平台

个人计算机 包括一个音频串流输入/输出(ASIO)声卡。 ASIO是要保证采样精确同步(sample-accurate synchronization)和固定处理发送和接收信号之间的延迟。声卡主要处理音频的输入和输出,且扮演仿真软件和数字音频数据数据的中介角色。

仿真软件 Plantronics采用Mathworks Simulink软件。选择Simulink,是因为它为该研发项目提供了几种关键优势。首先,它可以与许多外部硬件无缝连接,包括大部份的ASIO声卡,这对于应用至关重要。其次,它是一个可可视化的设计环境,可使工程师能够轻松地与他们建立的模型进行互动并交付执行。最后,它可以让工程师在运行仿真时随时改变模型的参数。

音频硬件 链接仿真软件、用户和络。有线系统运行时,电压比音频电子高得多,所以需利用电压隔离器将其余的系统隔开。从络或从麦克风来的模拟信号,通过MOTU FireWire 828mk2音讯I / O盒(使用ASIO软件接口)转换为数字形式(使用脉冲编码调节器或PCM);然后数字音频数据通过FireWire连接汇入计算机。

这个软件开发环境所唯一需要定制化的部份是,需要一个Simulink模块(Block),做为读取和写入数据数据连接ASIO接口。

该平台在Simulink内执行大多数的实时信号处理算法,为了提高效率,通常采用使用Simulink快速加速器模式(Rapid Accelerator mode),从而加快了仿真速度。当进行仿真时, 可以与Simulink模型互动、调整参数的变化,例如,可以在一个实际的通话中更改增益算法,在测试过程中,甚至可以切换到一个完全不同的音频处理算法,例如,这种功能能够比较多种不同的回声消除算法(echo cancellation algorithms)。

在测试完成之后,若对信号处理系统运行正常感到满意,就将这个系统实现到嵌入式目标系统中。使用和以前相同的编译-构建-下载的周期,不过,这一次,在开始嵌入式开发之前,就已经充份地仿真整个系统,并找出几乎所有的错误。使用这种新研发流程,已经大大降低了开发和验证时间。

发展和验证的平台

这个平台不仅可以进行音频算法开发,也可以进行算法和系统的验证。该平台可用于有线耳机,以及蓝牙兼容的耳机(通1ProJet MJP 5600 还具有全新的3D Sprint 2.5 software过Plantronics公司音频I/O专用的蓝牙USB加密器)。

Plantronics将在MATLAB或C开发的个别算法,组合到Simulink系统中。利用Simulink产生测试信号(例如,正弦喳噪音),通过Simulink的图形功能,可以快速地检查信号的属性,如能量谱密度(energy spectral density)等。

对音频研发来说,分析信号的音频性能是相当标准程序开发的工作,但该平台能够进一步的对正在通话中的测试算法。在算法和系统的验证过程中, 将硬件与仿真模型链接,随着模型的实时运行,使用该平台进行现场呼叫,例如,一位金耳朵听众参加会议,随之调整各种参数来改善中的音频质量。

回声消除算法为该流程提供了一个很好的例子,如果没有经过信号处理,用户会听到因为麦克风和耳机的反馈而产生的回声和啸叫声。消除回声??不是一件简单的事,有两个音频会输入到系统中:一是络,另一是从麦克风输入的音频。回声消除必须同时考虑音频信号来源,又要能适度地消除信号,这样用户才会只听到络的音频。有好几种回音消除技术可以使用,而每种都有自己的参数可供微调。在Plantronics公司,Simulink实现了两个不同的回声消除算法(参见图2),以及进行模拟,看看哪个效果最好。

图 2. 在Simulink中的一个回声消除系统模型

为了测试回声消除算法,可以在模型中实现它们,然后将研发平台连接到络。在正在通话的会议上,通过修改算法设定要实行高效与绿色塑料造粒机的发展战略以改善音频质量;在实时操作的各种情境下,评估通话系统的质量,包括通话音量范围。在同一通中,可以从一个回声消除算法切换到另一个,比较在相同条件下的清晰度。这很容易比较两种算法的清晰度,因为可以在它们之间切换,而无需重新编译,也不需停止模拟或重打一通。

除了消除回声,耳机也需要线路消除算法(line cancellation algorithms)来处理因为络所引起的回声,以及需要动态的范围控制,如动态改变音量,提高低音量的声音,并限制高音量的声音。而其他的各种算法也都需要以符合法规,例如,欧盟要求耳机具有抗惊吓属性,即限制耳机的音量不容许它们迅速提高音量。Plantronics正利用这个研发平台,来快速开发和验证所有这些算法或更多算法。此外,还可以利用这个平台来进行更明智的的材料清单决策。例如,扬声器和麦克风均衡地使用较便宜的传感器,看是否可提供更实时处理数字信号好的音频质量,新平台能够评估这些选择。

本文结论

在市场的迫切驱动下,Plantronics公司开发了一种创新的研发和验证平台,以缩短设计、开发和测试的周期。该平台本身具有成本效益,因为它以标准PC、Simulink仿真软件,以及标准的音频设备为基础。更重要的是,能够检查和修正正在进行通话的系统,该平台提供了设计层级的洞察力,提高了以前所缺乏的对于系统属性的认识,这使得大多数的设计问题都能加以模拟,从而简化嵌入式目标开发工作。

在一般情况下,研发速度的增加是来自于牺牲产品质量或者是增加预算开支。该平台则能够兼顾三个面向:加速研发速度,不断降低成本,并开发出更好耳机。(end)

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