Progettare l'elettronica per dispositivi audio come smart speaker e assistenti vocali è un processo complesso che richiede l'integrazione sinergica di diverse competenze. La fase iniziale coinvolge la scelta di microfoni, con opzioni come omnidirezionali o direzionali a seconda delle esigenze. Anche l'elaborazione digitale del segnale audio (DSP) è cruciale per migliorare la qualità del suono, compresi compiti come la cancellazione del rumore e l'adattamento dinamico del volume, passando per algoritmi che richiedono l'utilizzo di FPU (Floating Point Unit). Oltre alla qualità del suono, l'integrazione di algoritmi di riconoscimento vocale (ASR) è fondamentale per il funzionamento degli assistenti vocali attraverso l'interpretazione del suono e la risposta ai comandi vocali.
La progettazione di dispositivi legati al mondo audio, come le recenti applicazioni di smart speaker ed assistenti vocali, richiede particolare attenzione nel definire le tecnologie e le risorse da utilizzare. Infatti, ci sono innumerevoli aspetti da considerare quali:
- La scelta dei microcontrollori per la corretta elaborazione delle informazioni audio, nonché la sintesi.
- La scelta di altoparlanti di alta qualità e amplificatori adeguati, considerando le dimensioni del dispositivo e i requisiti di potenza.
- La connettività wireless (Wi-Fi, Bluetooth) è essenziale per l'accesso a Internet e l'interazione con altri dispositivi, mentre le connessioni cablate, come le porte USB, possono essere incluse per la ricarica e il collegamento a dispositivi esterni.
- La gestione dei dati audio richiede una memoria sufficiente, comprese memorie di archiviazione e RAM. Processori e microcontrollori gestiscono operazioni di controllo e l'elaborazione dei dati, richiedendo potenza sufficiente per compiti complessi come il riconoscimento vocale in tempo reale.
- Elementi di interfaccia utente, come touchscreen, LED e pulsanti, forniscono feedback e interazioni con l'utente. La gestione dell'energia è cruciale per dispositivi portatili, coinvolgendo la scelta di batterie efficienti e strategie di risparmio energetico. La sicurezza dei dati vocali e la privacy degli utenti richiedono l'implementazione di crittografia e controlli di accesso.
- Infine, la possibilità di aggiornare firmware e software è essenziale per correggere bug, migliorare prestazioni e aggiungere nuove funzionalità. Progettare un sistema audio completo richiede una collaborazione tra esperti di diverse discipline, tra cui ingegneri del suono, ingegneri hardware e sviluppatori software.
Padroneggiare la scelta di tutti questi dispositivi è un'attività complessa e soprattutto lunga da applicare quando si sta partendo con una nuova idea e un nuovo progetto. Per questo, schede di sviluppo dei fornitori consentono di potersi concentrare sull'idea del progetto utilizzando un set di hardware già predisposto. Nel dettaglio andremo ad osservare le seguenti 5 schede di sviluppo (o demo board) per applicazioni audio:
- Texas Instruments SRC4392EVM-PDK
- ReSpeaker Mic Array Seeed Studio
- LD3320 Modulo di riconoscimento vocale
- DFPlayer
- Adafruit Audio FX
1. Texas Instruments SRC4392EVM-PDK
La scheda di valutazione SRC4392EVM-PDK della Texas Instruments (Figura 1) fornisce una soluzione modulare e ben concepita per poter mettere alla prova le prestazioni del dispositivo SRC4392 della stessa Texas Instruments. In particolare, questo dispositivo è progettato come convertitore di campionamento stereo con una risoluzione massima di 24 bit e una frequenza di campionamento di 192 kHz. Offre diverse opzioni di interfaccia digitale, tra cui ingressi e uscite I2S, interfaccia di bus di sistema audio (ASB), e la possibilità di ricevere segnali S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format). La sua progettazione mira a ridurre il gitter, migliorando la precisione nella sincronizzazione del segnale. Inoltre, include funzionalità di upsampling e downsampling per adattare il segnale audio a diverse frequenze di campionamento secondo le esigenze del sistema. Inoltre, il chip è dotato di un filtro digitale programmabile che può essere regolato per adattarsi alle specifiche dell'applicazione audio. Alcune delle funzionalità aggiuntive comprendono il controllo digitale del volume e modalità standby per la gestione dell'alimentazione. Il kit di sviluppo include una scheda madre e una daughter board (la SRC4392EVM) che possono essere interfacciate ad un pc per provarne le prestazioni.
Figura 1: Scheda di sviluppo Texas Instruments SRC4392EVM-PDK
Le caratteristiche principali del kit di sviluppo sono:
- Le intestazioni bufferizzate supportano fino a quattro interfacce audio e seriali, compatibili con i formati di dati stile I2S™ o TDM
- Sono supportati riferimenti flessibili e generazione di master clock, utilizzando oscillatori integrati o sorgenti di clock esterne
- I regolatori lineari integrati ricavano alimentazioni da +1,8 V, +3,3 V e +5 V da alimentatori esterni o dalla porta USB
- L'alimentazione può essere fornita da un adattatore a muro con spina cilindrica da 2,5 mm ID x 5,5 mm OD x 9,5 mm (non incluso) o da un alimentatore +5 V
- Sono forniti indicatori LED per i flag di uscita DIR Lock e SRC Ready
Il dispositivo SRC4392 è comunemente impiegato in applicazioni audio di fascia alta, come preamplificatori, processori audio, sistemi hi-fi e altri dispositivi audio professionali. La disponibilità di questo kit di sviluppo consente dunque di poter provare e realizzare progetti con elevate prestazioni audio e riducendo il time-to-market.
2. ReSpeaker Mic Array Seeed Studio
Il ReSpeaker Mic Array v2.0 rappresenta una soluzione avanzata per l'implementazione di un'interfaccia vocale nei progetti, offrendo un dispositivo array con microfono per campo lontano in grado di rilevare voci fino a 5 metri di distanza, anche in presenza di rumori di fondo. Ciò è reso possibile grazie all'elaborazione avanzata degli algoritmi onboard, gestiti dal processore XVF-3000 XMOS (Figura 2).
Tra le caratteristiche chiave di questa scheda, spicca la tecnologia di cancellazione dell'eco acustico bidirezionale (AEC full duplex), che consente una comunicazione audio più chiara e nitida. Questa funzionalità, in particolare, contribuisce a ridurre l'eco ambientale, migliorando l'esperienza utente complessiva. Il Beamforming è un'altra caratteristica di rilievo, consentendo al dispositivo di concentrarsi in modo mirato sui suoni provenienti dalla direzione di interesse. Questa capacità è fondamentale per ottimizzare la captazione del suono e migliorare la qualità della registrazione.
Figura 2: Scheda di sviluppo Seeed Studio ReSpeaker Mic Array v2.0
La direzione di arrivo (DoA) è un aspetto cruciale per il riconoscimento accurato delle fonti sonore. Il ReSpeaker Mic Array v2.0 è progettato per determinare con precisione la direzione da cui proviene un suono, facilitando un'interazione più efficace e intuitiva nei progetti.
L'eliminazione dei rumori di fondo e la gestione dei disturbi acustici sono gestiti in modo efficace, garantendo che il dispositivo possa distinguere chiaramente le voci desiderate anche in ambienti rumorosi.
Da notare che l'uscita audio è stata ulteriormente ottimizzata mediante l'implementazione dell'AEC, assicurando che il suono trasmesso non venga disturbato da riverberi indesiderati. Questa caratteristica è fondamentale per garantire una riproduzione audio di alta qualità e senza interferenze.
Di seguito riassumo alcune caratteristiche tecniche:
- XVF-3000 di XMOS
- 4 microfoni digitali ad alte prestazioni
- Supporta l'acquisizione vocale di campo lontano
- Algoritmi vocali su chip
- 12 indicatori LED RGB programmabili
- Microfoni: ST MP34DT01TR-M
- Sensibilità: -26 dBFS (omnidirezionali)
- Punto di sovraccarico acustico: 120 dBSPL
- SNR: 63 dB
- Alimentatore: 5 V c.c. dal terminale d'espansione o Micro USB
- Jack femmina di uscita audio da 3,5 mm
- Dimensioni 70 mm (diametro)
Quindi, il ReSpeaker Mic Array v2.0 si presenta come una soluzione avanzata e versatile per l'aggiunta di funzionalità vocali a progetti e applicazioni, offrendo prestazioni migliorate, maggiore sensibilità e un costo più accessibile rispetto alla versione precedente. Tra le principali applicazioni troviamo acquisizione della voce, smart speaker, assistenti vocali, registratore audio.
3. LD3320 Modulo di riconoscimento vocale
Il modulo di riconoscimento vocale LD3320 (Figura 3) è una soluzione avanzata per implementare il riconoscimento vocale, il controllo vocale e la funzione di dialogo uomo-macchina in prodotti elettronici. Dotato di un'interfaccia SPI e un'interfaccia parallela, il modulo integra un microfono e un oscillatore a cristallo attivo, garantendo un'ampia gamma di applicazioni in settori come l'elettronica di consumo, la domotica e l'automazione.
Una delle caratteristiche distintive di questo modulo è la sua alta precisione e l'efficacia pratica nel riconoscimento vocale. Utilizzando una tecnologia di riconoscimento vocale non specifica, il modulo non richiede agli utenti di sottoporsi a un addestramento alla registrazione, rendendolo più accessibile e facile da utilizzare.
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