小體積超低功耗語音喚醒耳機方案——帝思DSPG D4P

隨著AI的普及，越來越多人使用智能語音控制，從智能音箱慢慢開始延伸到智能耳機領域。目前市場的大部分耳機還是以手動喚醒語音助手為主，主要問題還是在語音檢測方面功耗和開發難度問題，。本方案將為大家介紹一套開發難度小且功耗低的語音喚醒方案——DBMD4P + QCC3044，該方案在頭戴耳機和運動型耳機上都適用。

首先介紹一下這款DBMD4P的公司——DSP Group，它是家庭和辦公室的集成通信無線晶片產品全球領先的提供商。DSPg提供軟體半導體系統產品和參考設計，使ODM、 DEM、 消費電子產品製造商和服務提供商能夠經濟高效地開發,快速實現市場創收的新產品。該公司處於半導體創新的前沿並實現卓越運營超過二十年，提供了一個廣泛的無線晶片集成組合DEC/ CAT-iq、DECT ULE、Wi - Fi、PSTN、BoneTone智能語音增強和噪聲消除器、視頻和VoIP技術。 DSPg使集成的聲音、音頻、視頻和數據連接不同消費者和商業產品，包括連接多媒體螢幕、移動設備、家庭安全自動化、無線電話、網絡電話系統和家庭網關。利用行業領先的經驗和專業知識，DSPg集團與CE製造商和服務提供商合作來塑造未來家庭和辦公室的集成通信。

DBMD系列憑著極高的性價比，至今已向全球提供超一億顆晶片，國內外各大智能語音引擎（如谷歌，亞馬遜，思必馳，出門問問等）都已有成熟算法方案在DBMD系列晶片上運行。從支持AI的TWS耳機到支持語音的智能家居，再到物聯網，安防，手機，平板電腦和筆記本電腦中，DSPg的身影無處不在。

其中DBMD4P是一款適用於電池供電設備（如手機，IoT，可穿戴設備等）的超低功耗語音和傳感器數據處理器。這處理器可實現各種應用，例如語音觸發（VT）、語音驗證（VA）、語音命令（VC）、傳感器數據處理和均衡器功能。DBMD4P是基於TeakLite-III™DSP 架構的處理器，具備與系統中其他設備（例如應用處理器（AP），編解碼器，麥克風和傳感器）進行通信所需的接口（如TDM，I2c，SPI，Uart等），加上已有的成熟算法，可為客戶快速開發出想要的功能。

QCC3044大家應該也很熟悉，這是高通推出的新一代雙聲道藍牙晶片，採用最新的BT5.2藍牙標準，具備24bit DSP處理能力，這必然會帶有有高通優秀的Aptx HD編碼。同時這款晶片內置了flash，減少了外圍器件成本和採購flash的壓力。穩定的平台賦能，卓越的音樂品質，強悍的電源管理，豐富的功能接口和產業公認的低功耗是這套方案的不二之選，搭配DSPg的晶片可謂強強聯合。

 

方案實現：

D4p和QCC3044主要引腳連接：

   DBMD_INT:

       當D4P檢測到有較大幅度聲音變化時，就會啟動識別引擎去識別這聲音是否為喚醒詞，如果識別是喚醒詞，就通過這個引腳把AP喚醒，再進入語音傳輸模式（Audio Buffering）。

   RSTN：

       該引腳為D4P的復位腳，在每次燒錄FW之前，都需要下拉該引腳一段時間。

   WAKEUP：

       該引腳為AP喚醒D4P的引腳，當D4P進入Hibernate時，只能通過該引腳喚醒。

   SPI（或I2C、Uart）：

       這組引腳用於AP與D4P之間的數據交互（如FW文件傳輸，配置和控制指令）。在D4P進入語音傳輸模式時（Audio Buffering），AP會通過SPI（或I2C、Uart）讀取拾取的語音指令數據做進一步的語音指令識別。

 

程序控制：

       先了解D4p的5種工作模式，如下圖：

   Idle：Boot Firmware之後，系統會在idle模式，這個狀態主要用於配置參數，為接下來的模式做準備

   Audio Buffering：該模式是將聲音都放到buffer中，讓AP去提取使用

   Detection：在該模式下，系統用較低的功耗檢測環境聲音，當有明顯聲音波動時，系統進入語音識別狀態，識別成功後，進入聲音傳輸狀態

   Sleep：該模式關閉ADC採集和處理， 保留與AP通訊能力

   Hibernate：系統關閉處理功能，AP無法通訊，只有AP用IO喚醒才能恢復到Idle模式

   Microphone：該模式用於debug，mic聲音數據直接通過uart輸出

根據這幾個模式，在QCC3044中加入對應的處理

1. QCC3044開機時，對D4P復位並燒錄FW文件（Idle模式）
2. 配置D4P參數，並進入Sleep或Hibernate模式
3. QCC3044接收到用戶指示，喚醒並控制D4P開啟語音檢測模式（Detection模式）
4. D4P檢測喚醒詞，喚醒QCC3044做語音識別（Audio Buffering模式）

 

設計要點：

1. Boot模式選擇：D4P支持多種boot模式，若需要獨立啟動可從flash加載程序；若從AP加載程序，可從Uart、SPI或I2C選一種加載，方便不同主控端選擇。加載時晶片會自動識別當前通訊協議，從而自動選擇對應的通訊方式。大致流程如下：
2. Mic設計：mic輸入是差分信號，所以振幅比較低，設計時需要將mic的線路平行並儘可能靠近。Mic到D4p之間需要保持相同的距離和相同的阻抗。Mic的濾波電容應靠近mic，而其他部分則儘可能靠近D4p端。
3. 實體mic之間的距離越大越好，這樣有助於算法做beam forming
4. Uart引腳需要預留出來，調算法和debug時候都需要用到
5. Reset引腳是必須要接上的，D4p每次燒Firmware之前都需要拉低reset一下
6. Uart通訊時，D4p會自動識別比特率，但在此之前需要發送16個0進行同步

                                                                                                                                      

       此外這個設計的連接方式同樣適用於其他藍牙、WiFi、ARM等應用平台。如要做通話降噪應用，D4P也提供了I2S接口，可將處理後的音頻數據傳入AP端。

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