2020年11月25日 | 使用蓝牙低功耗和嵌入式处理器实现智能遥控器

虚拟助手将继续集成到我们家中的更多设备中。亚马逊最近宣布，它将把Alexa植入各种新设备中，包括耳塞，眼镜甚至戒指，从而为消费者提供更多信息访问方式。这些新的语音产品是无线并且免提。该设备可以毫不费力地连接到您的手机或其他主机，并耐心地听着要发出的命令。无线技术是通过蓝牙RF芯片组，处理则是需要支持无线连接和运行唤醒字引擎（WWE）来识别语音命令的专用嵌入式处理器。

这种趋势的另一个例子是每台新的平板电视，机顶盒和媒体播放器随附的直板形遥控器。它们也将很快实现完全无线和免提。当然，当您要进行语音控制时，许多工具仍将支持旧的IR红外线，但是这些很快就过时了。用户需要一种无缝响应其命令的设备，而不是像对讲机那样。与最近的亚马逊产品类似，下一代电视遥控器将是无线且免提的。

但是，远程控制设计带来了一些独特的挑战。例如，遥控器通常是不可充电的。它们通常使用标准AA电池供电。遥控器不仅需要在嘈杂的环境中发挥出色的性能，而且还需要在距离您的身体3到9英尺的位置就可与将无线信息即时传输到主机设备（例如电视）上。

此外，消费者更喜欢持久耐用的电池，这些电池在设备的使用寿命内不需要更换。毫不奇怪，只需更换电池即可解决大部分客户故障。消费者拨打的电话，每次通话将花费公司30到50美元，具体取决于通话时间。本质上，遥控器必须像壁挂式Amazon Echo Dot一样执行操作，同时还要比入耳式耳机更节能。

设计功能强大，高效节能的遥控器这一挑战要求创新的蓝牙解决方案和音频处理解决方案，因为它们中的一个或两个革新都有助于电池寿命。

与传统的IR相比，使用Bluetooth 5.0 / LE解决了两个问题。首先，蓝牙是一种符合标准的解决方案，因此设备很容易与现有蓝牙设备的大型基础设施进行通信。此外，蓝牙5.0 / LE可提供与WiFi设备相当的范围，这非常适合启用语音的遥控器。传统的蓝牙解决方案已经针对手机和笔记本电脑进行了优化，这些手机和笔记本电脑往往具有更大的电池，并且蓝牙功耗并不那么重要。

这两个问题-较大的电池和功耗-不能很好地转化为诸如遥控器之类的终端设备。诸如Atmosic之类的公司通过创建针对消费者终端设备（如遥控器）的基础解决方案，革新了整体解决方案的设计。这种设计显着降低了功率（约为5倍），因此，与竞争解决方案相比，可以将电池寿命延长3倍至5倍。  

除了极低功耗的蓝牙设计之外，还可以使用辅助唤醒接收器，该接收器消耗的功率显着减少（比标准接收器低20到50倍），从而使整个蓝牙SoC进入深度睡眠状态。该部分可以通过另一主机的特殊模式唤醒。我们此处将不详细介绍此技术，因为这与少量专用遥控器有关。

第三种技术是利用能量收集（嵌入到蓝牙SoC中）来收集RF无线能量以延长电池寿命。许多房屋和建筑物都有大量的RF能量（通常在ISM频段中），可以在遥控器躺在桌子上时进行采集。根据能量的水平，设备可以收集数十微瓦的能量至1 mW。目标是在可能的情况下替换电池电源，并将电池寿命延长至几年，而目前电池的寿命为6到9个月。对于工业和特殊用途的遥控器，也可以使用其他能源技术，例如光能（太阳能），热能和运动能。

如前所述，为了实现真正的免提操作，遥控器必须像智能扬声器一样同时运行，但要与入耳式耳机设备一样节能。像QuickLogic这样的公司已经创建了高度优化的超低功耗配套设备，可以与蓝牙芯片组配合使用以应对这一挑战。  

具有蓝牙连接的启用语音的遥控器基本上有三种模式：待机，唤醒字检测和数据传输模式。三个应用功耗逐渐升高。

在待机模式下，蓝牙和配套芯片处于睡眠状态，等待周围周围环境中的一些声音将其唤醒。Vesper的麦克风的“声音唤醒”功能是实现此目的的最节能方式之一，该功能仅消耗10 µA即可执行语音采集。在典型的客厅用例中，系统可能高达80％的时间处于此模式。

一旦达到阈值水平，就会从麦克风触发一个中断，并唤醒配套芯片，进入唤醒字检测模式。配套芯片的MCU可以启动并运行WWE一段确定的时间，以检测是否已发出该关键字。诸如Retune DSP的VoiceSpot WWE之类的第三方解决方案可以仅使用一个麦克风就可以在Cortex-M4上运行，而无需使用具有多麦克风自适应波束形成功能的计算密集型解决方案，这通常是中距离（3至9英尺）语音识别。

除了明显的处理性能节约之外，从系统中去除一个麦克风就可以节省400至650 µA（有功功率）。如果检测到唤醒字，它将中断并唤醒蓝牙芯片以进入数据传输模式。这是必需的，因为唤醒字之后的用户字需要以脉冲编码调制（PCM）或压缩数据的形式传输到主机（TV）。

如果未检测到唤醒字，系统将恢复为初始待机模式。一些配套芯片（例如QuickLogic）具有专用的低功耗声音检测（LPSD）硬件，以减少唤醒字检测模式下使用的平均系统功率。例如，某些声音，例如风扇，具有较高的dB SPL，但显然不是语音。LPSD硬件具有足够的智能来感知并忽略声音，从而避免了不必要地运行WWE的额外功耗。

蓝牙5.0 / LE非常适合数据传输模式，因为它可以按低功耗按需数据包传输数据。理想的伴侣应具有足够的存储空间和处理能力，以将语音数据发送到蓝牙设备之前对其进行压缩。一个典型的示例是运行配置为四个复杂度设置的Opus编码器。

Scott Haylock是QuickLogic产品营销总监。他拥有超过20年的片上系统经验，并拥有密歇根州立大学的BSEE学位。 

Srinivas Pattamatta是Atmosic Technologies业务发展副总裁。他在无线和其他通信技术方面也有20多年的经验。Srinivas拥有俄勒冈州立大学的电机工程硕士学位和圣塔克拉拉大学的MBA学位。