基于低能耗藍(lán)牙的半雙工語音通信

　　2)音頻處理

　　BlueVoice的音頻處理目的是在根據(jù)應(yīng)用所選的接收端上，取得8kHz 或16 kHz的目標(biāo)音頻采樣。事實(shí)上，對于低功耗要求極其嚴(yán)格但是對音質(zhì)要求不高的應(yīng)用場景，例如，無需人耳聽清楚的自動(dòng)語音識(shí)別服務(wù)輸入音頻，8kHz采樣率可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

　　使用自適應(yīng)差分脈沖碼調(diào)制算法壓縮低能耗藍(lán)牙音頻傳輸信號，可使音頻信號適用于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)最大限度縮減射頻傳輸時(shí)間以及功耗。我們使用數(shù)字MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)一個(gè)全數(shù)字解決方案，尺寸和音質(zhì)等特性使其適用于無線傳感器設(shè)備。圖4所示是16 kHz采樣率的完整語音處理鏈。該解決方案首先采集數(shù)字MEMS麥克風(fēng)生成的1 MHz 的1位脈沖密度調(diào)制(PDM)信號，并將其轉(zhuǎn)換成16 kHz 的16位脈沖編碼調(diào)制(PCM)采樣，然后以16000個(gè)采樣/秒的采樣率，再將其壓縮成4位ADPCM采樣信號，并準(zhǔn)備發(fā)送。

　　此外，以較低的頻率發(fā)送邊信息同步數(shù)據(jù)集合，所需帶寬是64 kbps音頻數(shù)據(jù)與300 bps同步信息數(shù)據(jù)之和，總計(jì)64.3 kbps。對于8kHz采樣率，最終ADPCM采樣率是8000個(gè)采樣/秒，導(dǎo)致31.3 kbps帶寬需求，包括邊信息。下面章節(jié)深入介紹上述模塊。

　　圖4：16kHz 配置的BlueVoice數(shù)據(jù)傳輸鏈

　　MEMS麥克風(fēng)的容性傳感器生成的模擬信號經(jīng)放大和高速率采樣后，交由整合量化和噪聲修整操作的內(nèi)部sigma-delta調(diào)制器處理，輸出的數(shù)據(jù)是一個(gè)單一的高采樣率的PDM格式比特，PCM轉(zhuǎn)換是從PDM到無線通道發(fā)送壓縮音頻數(shù)據(jù)的整個(gè)處理鏈的中間環(huán)節(jié)。為了把PDM流轉(zhuǎn)換成PCM數(shù)據(jù)，需要使用一個(gè)抽取濾波器和兩個(gè)可單獨(dú)配置的濾波器(低通濾波器和高通濾波器。該處理模塊輸出16位PCM格式采樣流。按照所選采樣頻率，采用一個(gè)不同配置的抽取濾波器，以取得16位PCM數(shù)據(jù)采樣。

　　ADPCM編碼模塊壓縮PCM采樣，通過減少數(shù)據(jù)包傳輸量，節(jié)省傳輸帶寬，降低能耗，如前文所述，ADPCM 是一個(gè)用于損耗波形編碼的壓縮算法，其基本原理是根據(jù)上一個(gè)數(shù)值預(yù)測當(dāng)前數(shù)值，只傳輸自適應(yīng)量化步驟量化的實(shí)際值與預(yù)測值的差值。存在諸多可選壓縮標(biāo)準(zhǔn)，卻單單選用ADPCM標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)樗腔诓ㄐ尉幋a方法，與基于聲碼器的復(fù)雜解決方案相比，更適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(通常基于微控制器)。在BlueVoice應(yīng)用中，每個(gè)16位PCM采樣都壓縮成4位ADPCM數(shù)據(jù)，這樣所需的應(yīng)用傳輸帶寬是32 kbps或64 kbps，至于具體速率取決于采樣頻率，而且兼容低能耗藍(lán)牙流媒體功能。

　　如前文所述，BlueVoice應(yīng)用的總體帶寬實(shí)際需求高于32 kbps或64 kbps的理論值，這是因?yàn)锽lueVoice為提高通信穩(wěn)健性，在通過通道發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)增加了附加信息。16 kHz 配置采用10 ms連接間隔，而8 kHz 配置采用25 ms連接間隔。事實(shí)上，如果被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，可提高連接間隔數(shù)值，從而節(jié)省能源。為盡可能地利用每個(gè)數(shù)據(jù)包現(xiàn)有有效載荷，語音數(shù)據(jù)包發(fā)送20個(gè)字節(jié)。

　　因此，在16 kHz配置中，語音數(shù)據(jù)每10 ms發(fā)送4個(gè)數(shù)據(jù)包，而在8 kHz配置中，語音數(shù)據(jù)每20 ms發(fā)送4個(gè)數(shù)據(jù)包，結(jié)果傳輸帶寬分別是64 kbps和32 kbps。發(fā)送器的邊信息發(fā)送頻率較低，每160 ms發(fā)送一個(gè)6字節(jié)的附加包，對應(yīng)16個(gè)或8個(gè)連接間隔。圖5描述了低能耗藍(lán)牙協(xié)議棧上的數(shù)據(jù)分組總體策略。通過音頻特征，每10ms或20 ms連接間隔，發(fā)送4個(gè)語音數(shù)據(jù)包(每包20字節(jié))，而發(fā)送器邊信息的發(fā)送是，通過同步特征，每160ms間隔發(fā)送一個(gè)附加數(shù)據(jù)包。

　　圖5：BlueVoice數(shù)據(jù)分組機(jī)制

　　C. 在實(shí)際硬件上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用

　　為了在支持低能耗藍(lán)牙通信的不是十分復(fù)雜的實(shí)際硬件無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上評估BlueVoice的可行性，我們在實(shí)際硬件設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了第三章B部分所描述的應(yīng)用軟件的全部功能。所選硬件平臺(tái)是意法半導(dǎo)體的STM32 Nucleo L476開發(fā)板[5]，這是一個(gè)基于STM32L476 80 MHz 32位ARM Cortex-M4微控制器的開放式開發(fā)平臺(tái)。我們選擇STM32 Nucleo開發(fā)板的原因是，板載微控制器的性能高于普通無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，同時(shí)還具備很高的靈活性和多功能性。該開發(fā)板配備很多接口和擴(kuò)展排針，插接專用擴(kuò)展板擴(kuò)大板子功能簡單容易，方便設(shè)計(jì)人員研究、開發(fā)和驗(yàn)證新創(chuàng)意。特別值得一提的是，STM32L4微控制器具有市場領(lǐng)先的低功耗特性，其內(nèi)置數(shù)字濾波器配合Sigma-Delta調(diào)制器(DFSDM)外設(shè)，可實(shí)現(xiàn)圖4的PDM至PCM的格式轉(zhuǎn)換，這些特性使其特別適合BlueVoice應(yīng)用。通過在STM32Nucleo開發(fā)板上接插一塊低能耗藍(lán)牙連接板和一塊麥克風(fēng)擴(kuò)展板，BlueVoice中央模塊和周邊模塊可以組成一個(gè)基于STM32Nucleo的對稱硬件配置，展示一個(gè)半雙工通信通道。低能耗藍(lán)牙連接板基于意法半導(dǎo)體的BlueNRG [6]，BlueNRG是一個(gè)超低功耗的低能耗藍(lán)牙單模網(wǎng)絡(luò)處理器，兼容藍(lán)牙規(guī)范4.0版，可設(shè)為主設(shè)備和從設(shè)備模式，當(dāng)?shù)湍芎乃{(lán)牙協(xié)議棧啟動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸最大電流8.2 mA，可降至1.7 uA。附加的麥克風(fēng)擴(kuò)展板用于采集語音信號，基于意法半導(dǎo)體的MP34DT01 [7]數(shù)字萬向MEMS 麥克風(fēng)，聲學(xué)過載點(diǎn)120 dBSPL, 信噪比63 dB，靈敏度-26 dBFS。MP34DT01采用一個(gè)容式傳感器和一個(gè)內(nèi)置sigma-delta調(diào)制器和噪聲修整機(jī)制的集成電路，提供1-3.25 MHz的PDM輸出。

　　圖6是實(shí)際硬件設(shè)備的框圖：STM32微控制器通過與外設(shè)模塊DMA相連的DFSDM模塊采集麥克風(fēng)的PDM采樣輸出，同時(shí)通過一套專用應(yīng)用程序界面(API)和串行外設(shè)接口(SPI)與BlueNRG模塊通信，對于中央模塊和周邊模塊，模塊化架構(gòu)是對稱的?？驁D中還有一個(gè)USB音頻接口，用于向PC機(jī)提供重構(gòu)的音頻信號。圖7是硬件設(shè)備的實(shí)際原型。

　　D. 性能

　　我們用第三章C部分描述的實(shí)際系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，評估BlueVoice應(yīng)用的功能、存儲(chǔ)器占用、性能需求和ASR識(shí)別率。特別是考慮到現(xiàn)場部署一系列微型無線麥克風(fēng)模塊的應(yīng)用場景和低能耗藍(lán)牙本身的非對稱性(從設(shè)備-外設(shè)模塊必須尺寸緊湊且功耗極低)，本章討論的性能評估主要討論 8 kHz和16 kHz兩種配置的從設(shè)備-外設(shè)模塊的功耗、存儲(chǔ)器占用和性能震求。此外，在接收端測量的ASR性能是另一個(gè)性能評估指標(biāo)，實(shí)際上，該參數(shù)可能是語音通信的一個(gè)重要的音質(zhì)指標(biāo)，對于新興的聲控應(yīng)用(遙控器、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品)具有重要意義。

　　圖6. BlueVoice框圖

　　圖7：發(fā)送器和接收器原型

　　1) 功耗、存儲(chǔ)器占用和性能需求

　　如前文所述，我們把BlueVoice應(yīng)用實(shí)現(xiàn)在一個(gè)硬件設(shè)備上，該硬件設(shè)備使用意法半導(dǎo)體的 STM32 Nucleo開發(fā)板充當(dāng)主機(jī)，并使用低能耗藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模塊充當(dāng)控制設(shè)備。表1列出了在BlueVoice的廣播、連接和傳輸三個(gè)不同狀態(tài)下，主機(jī)和控制設(shè)備(STM32和BlueNRG)的功耗值。這些數(shù)據(jù)是在3.3 V工作電壓時(shí)的測量值，對8 kHz和16 kHz配置的功耗進(jìn)行了比較。必須強(qiáng)調(diào)的是，微控制器功耗完全取決于硬件特征和低功耗配置，因此，微控制器功率是在計(jì)算總功耗時(shí)加在總功耗中與平臺(tái)相關(guān)的數(shù)值。

　　本表所列數(shù)值可以視為一個(gè)指示性參考值，可能會(huì)隨實(shí)際應(yīng)用情況而發(fā)生變化。

　　表I：BLUEVOICE功耗

　　按照低能耗藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立連接前，從設(shè)備是處于廣播模式，而主設(shè)備則是進(jìn)入掃描模式。當(dāng)主設(shè)備收到廣播數(shù)據(jù)包，發(fā)現(xiàn)從設(shè)備存在時(shí)，就立即建立連接。在BlueVoice解決方案中，考慮到一個(gè)外設(shè)模塊對中央模塊的通信，外設(shè)節(jié)點(diǎn)是發(fā)送器(服務(wù)器)，而中央節(jié)點(diǎn)是接收器(客戶機(jī))：服務(wù)器以固定周期向客戶機(jī)發(fā)送通知。對于8 kHz配置中，在廣播階段，發(fā)送器外設(shè)模塊(STM32 + BlueNRG)總平均功耗極低，只有3.50mW，當(dāng)建立連接時(shí)，功耗是3.98 mW。對于16 kHz配置，廣播階段功耗是8.22 mW，而連接階段是9.48 mW。這里應(yīng)著重指出的是，連接階段的功耗與連接間隔選擇關(guān)系密切，這也是8 kHz和16 kHz配置(分別是20 ms和10 ms)的主要區(qū)別。在這兩情況中，連接間隔設(shè)為接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小值(7.5 ms)，以確保傳輸延遲最小。一旦連接建立, BlueVoice應(yīng)用立即進(jìn)入傳輸狀態(tài)，8 kHz配置的平均功耗是10.07 mW，16 kHz配置的平均功耗是19.84 mW，因此，基于STM32 + BlueNRG的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，假設(shè)電池容量是200 mAh，在連續(xù)傳送數(shù)據(jù)流時(shí)，兩種配置的理論續(xù)航時(shí)間分別是約65小時(shí)和33小時(shí)。這些功耗值表明BlueVoice方法的適用于以低能耗藍(lán)牙為載體的音頻流，特別是8 kHz配置，可大幅降低功耗。

　　除分析功耗外，通過考慮存儲(chǔ)器占用情況，我們還評估了應(yīng)用的可行性。如表II所示，BlueVoice應(yīng)用軟件兩種配置占用閃存空間相同(21.85 kB)，但是，8 kHz配置占用13.32 kB的RAM空間，而16 kHz配置只占用7.86 kB的RAM空間。兩種配置占用RAM空間不同的原因是，為降低該解決方案的額外開銷和功耗，8 kHz和16 kHz分別每20 ms 和10 ms執(zhí)行音頻處理步驟(PDM轉(zhuǎn)PCM和ADPCM壓縮)，從而導(dǎo)致8 kHz配置在兩個(gè)連續(xù)步驟之間存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)變大。在這兩種情況中，這些數(shù)值十分符合資源受限的系統(tǒng)要求。

　　表II

　　發(fā)送端BLUEVOICE存儲(chǔ)器占用

　　2) ASR性能

　　BlueVoice在功耗、處理性能和存儲(chǔ)器占用方面表現(xiàn)出的可行性并不能保證語音信號質(zhì)量在接收端達(dá)到可以接受的水平，在BlueVoice解決方案性能評估最后，我們利用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ASR服務(wù)進(jìn)行了大量的傳輸測試，在接收端測量ASR 性能。16 kHz USB麥克風(fēng)和8 kHz/16 kHz BlueVoice系統(tǒng)以并行方式記錄若干個(gè)包含已知英文單詞的音頻采樣(作為參考)，并將其傳輸?shù)紸SR引擎，表III列出了不同解決方案的單詞識(shí)別率比較測試結(jié)果。測試結(jié)果證明，ADPCM壓縮沒有降低信號質(zhì)量，因此適合ASR應(yīng)用：BlueVoice 16 kHz配置的性能十分接近USB麥克風(fēng)，而 8 kHz系統(tǒng)的性能稍有降低(18 %)，適用于低功耗要求極嚴(yán)的應(yīng)用。事實(shí)上，8 kHz系統(tǒng)以16 kHz配置50%的功耗取得了相同的ASR性能。

　　表III

　　BLUEVOICE ASR性能

　　IV. 結(jié)論

　　本文介紹一個(gè)以低能耗藍(lán)牙為載體傳送音頻流的解決方案，首先介紹一個(gè)廠商專用的半雙工通信低能耗藍(lán)牙配置文件，然后介紹BlueVoice應(yīng)用設(shè)計(jì)，并討論了慮涉及設(shè)備的通信角色、音頻處理和壓縮編碼選擇、數(shù)據(jù)分組和帶寬需求。BlueVoice應(yīng)用由一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)和一個(gè)外設(shè)節(jié)點(diǎn)組成，按照所選通信方向，分別充當(dāng)?shù)湍芎乃{(lán)牙的服務(wù)器和客戶機(jī)。在連接建立后，服務(wù)器按固定周期向客戶機(jī)發(fā)送通知。我們對8 kHz和16 kHz兩個(gè)沒配置進(jìn)行了比較，在發(fā)送器節(jié)點(diǎn)上，MEMS麥克風(fēng)的數(shù)字PDM格式輸出信號被采集并轉(zhuǎn)換成PCM格式，然后壓縮成ADPCM數(shù)據(jù)，最終在低能耗藍(lán)牙鏈接上產(chǎn)生32或64 kbps的藍(lán)牙帶寬。該配置文件還定義一個(gè)低頻邊信息機(jī)制，雖然需要一些額外的帶寬，但是提高了錯(cuò)誤抑制功能。為評估解決方案的性能， BlueVoice被實(shí)現(xiàn)在實(shí)際硬件設(shè)備上。該設(shè)備是由MEMS麥克風(fēng)和STM32微控制器組成與網(wǎng)絡(luò)模塊組成的全數(shù)字系統(tǒng)，前者充當(dāng)主機(jī)，后者充當(dāng)?shù)湍芎乃{(lán)牙控制器。本文的性能評估表明，我們提出的解決方案在功耗、處理性能和存儲(chǔ)器占用方面適用于低功耗語音流應(yīng)用。特別是，在8 kHz和16 kHz音頻流傳輸過程中，傳感器設(shè)備的功耗測量值分別為10.07 mW和19.84 mW，存儲(chǔ)器占用和性能需求完全可接受。此外，我們還測量了音頻質(zhì)量指標(biāo)ASR性能，8 kHz配置和816kHz配置的單詞識(shí)別率分別達(dá)到67%和82%，而16 kHz USB麥克風(fēng)的識(shí)別率達(dá)到85%，這表明BlueVoice應(yīng)用能夠在接收端達(dá)到非常高的音質(zhì)，并具有極低的功耗。