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拆解Megablast音箱,揭开其声控设计的秘密

时间:2018-03-07 作者:Patrick Mannion 阅读:
在CES 2018,透过拆解Ultimate Ears(UE)的Megablast防水可携式亚马逊Alexa音箱内部,揭露为什么它能代表最新的语音识别、声音再现以及无线通信系统设计…

今年的国际消费电子展(CES 2018)预示着以语音为基础的人机接口(HMI)展现突破的一年来临,从各大科技业者展示的智慧音箱就可看出这一技术的最新进展。例如美国耳机制造商Ultimate Ears (UE)展示基于Alexa的Megablast智慧音箱,据称在一个防水机箱中结合了高阶的音讯播放、蓝牙、Wi-Fi和先进的声学处理前端。我们恰巧有机会拿到了这款产品进行拆解,一起来先睹为快!

亚马逊(Amazon)藉由其基于Alexa的Echo音箱,为支持语音控制的数字音频播放系统设定了新标准。从那时起,包括Bose与Sonos等老字号的音讯公司,以及Google、苹果(Apple)等其他科技大厂纷纷效仿;另一方面,这些老字号的音讯公司也经由整合来自Apple、Google与Amazon的语音助理,施展其「多元」选择的策略。

对于挑剔的用户来说,虽然单个小型音箱的音频质量可能无法达到专业音响玩家要求的剧院级音效,但可以确定的是,其易用性和可携式方面已经够好了。因此,对于使用者而言,真正重要的考虑因素有三:音频的播放质量、无线连接的固有质量和可靠性,以及装置用于辨识语音助理启动触发和相关指令的能力。即使是在面对高音量、嘈杂刺耳的背景时,它仍然必须能正常地执行。

Ultimate Ears是罗技(Logitech)旗下的耳机品牌,针对上述三项关键指标设计了Megablast,同时提供防水防尘达IP67级(图1),据称可以在深达1公尺的水中浸入30分钟。Megablast内建Amazon Alexa,以及Wi-Fi与蓝牙;仅需5分钟即可完成设定并开始运作,从Amazon Music串流音乐。除了Alexa的功能,还可以支持大多数流行的独立音频串流媒体服务。

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图1:Ultimate Ears的Megablast音箱采用亚马逊Alexa,提供高质量音频播放系统的语音控制,同时达到IP67防水防尘等级(来源:Ultimate Ears)

Megablast的尺寸约237mm x 88mm,能以高达93dB的最大音量输出360°环绕音效,支持60Hz~20kHz的频率范围,并使用2个25mm的高音喇叭、2个55mm的中音喇叭驱动器,还有2个85 x 50mm的被动辐射器用于低音喇叭。该音箱采用锂离子(Li-ion)电池,单次充饱电后的续航力可达16小时,并支持长达150英呎距离的蓝牙连接,以及330英呎的2.4/5-GHz Wi-Fi。语音识别子系统使用多支麦克风,提供波束成形技术以及噪声消除功能。

这款有趣的音箱还附带有一个可拆式D形环,可以作为挂钩悬挂音箱,也可以拆下让音箱安装在脚架或独立的无线充电座上。或者,如果以USB电源线与AC转接器充电时,必须先将遮盖USB充电埠的背盖打开。

设计奇特但用户体验佳

从Megablast的成本来看,你可能会预期它应该很容易与蓝牙和Wi-Fi连接,但声音质量就不期待了:事实上,它的音质可说是惊人的好。根据物理定律,小型音箱的低音一般不优,但中高音清晰且能如预期表现。因此,如果你不期待像剧场般的震动低音,应该会对它的音频质量和易用性感到惊喜。

Megablast证实了它能在满屋子高谈阔论的客人中撷取到关键词(Alexa)的能力,而且在测试其灵敏度时,表现出能在距离大约5英呎处拾取低声耳语。奇怪的是,Megablast的外观设计无法清楚显示Alexa是否正在倾听或听到了指令,除非把它放在眼睛的视线水平以下。Amazon的Echo和Echo Dot都会在顶部边缘发出闪闪发光的蓝色圈圈,而Megablast只在顶部发出一小束银光,所以只有在俯视时才能看到它是否正在运作。

如何运作?

由于Megablast可防水,所以在拆解其内部构造时必须根经经验作判断,小心谨慎地使用Dremel圆形切割工具。拆下每一端的塑料盖后露出了四个螺钉,等到移除螺钉后,就可以掀开主要的结构看看内部情形。

接着移除覆盖在机座上的彩色上盖,我们发现在Megablast的顶部均匀地放置着三个微机电系统(MEMS)麦克风(图2)。

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图2:使用Dremel圆形工具拆下每一端的塑料上盖并松开其下的螺丝,就可以看到主板(左上)以及电池(左下)。底座沿边上的走线用于固定音箱驱动器的位置

一旦移除螺丝后,即可卸下连接到顶部电路板的麦克风,显现出两个主要的顶部开关:电源和静音模式(Alexa Privacy Mode)。顶部电路板还装载着蓝牙无线电的直立式偶极天线,天线线路并从底板连接至主板的射频(RF)和音频处理模块(图3)。

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图3:三个MEMS麦克风用于拾取声音,并透过DSP Group DBMD5音讯SoC处理赋予意义,而SPIL的Wi-Fi/蓝牙RF IC则确保连续不间断的串流传输

移除底端模块后就可以卸下电池了;该电池是日本和中国的客制设计,额定电压为7.2V、3130mAh或22.5Whr(图2)。一旦移除电池后,暴露出被动辐射器的腔室和主板的底端,它还带有一个小型模块。

形成Megablast的核心模块

在进一步的分析后发现,连接到主板的这个小型模块包含了Megablast设计的两个关键秘密:无缝且可靠的无线连接,以实现连续的串流传输;以及准确的语音识别功能。

无线通信部份来自Silicon Precision Industries Co.,Ltd. (SPIL)的SB-WBM-N07P系统级封装(SiP),其中包括赛普拉斯半导体(Cypress Semiconductor)的两个无线电芯片:CYW43907是带有ARM Cortex应用处理器的IEEE 802.11a/b/g/n SoC,可支持高达150Mbits/s的数据速率,并覆盖2.4/5GHz Wi-Fi频段。值得注意的是,尽管150Mbits/s并非目前可用的最大Wi-Fi范围,但音讯并不需要高吞吐量,因此可靠性和覆盖范围才是更重要的考虑因素。

在SPIL SB-WBM-N07P SiP上的第二个无线电芯片是整合收发器的CYW40707蓝牙基频SoC。它可支持蓝牙低功耗,也与CYW43907一样,最初来自博通(Broadcom)的无线部门,后来被Cypress收购。

从该模块延伸出三条天线走线:黑色的用于蓝牙功能,连接到Megablast的顶部,另外两条连接Wi-Fi,分别用于系统的两侧——一条有专用板,另一条则与Megablast的音量键共享电路板(图3)。

Megablast语音识别功能的核心在于该模块上的另一芯片:来自DSP Group于CES 2017发布的音讯SoC——DBMD5。该芯片采用该公司的HDClear技术设计,可在高噪声环境下实现语音控制,并支持对语音触发和插话功能的控制。

作为Alexa的前端,音频和语音处理器非常关键,因此,DBMD5配备了DSP Group的先进语音增强算法,包括回音消除、噪声抑制、波束成形和远场音效等。其他功能还包括语音缓冲,以实现自动语音识别(ASR)应用的平稳操作。该板载双核心DSP同时支持数字和模拟麦克风。

在该模块下方是Macronix International的MX25L25645G 256Mbit序列NOR闪存芯片,支持RF通讯和音频IC。

结构与声学完整度

在更深入探索Megablast之前,必须先拆除两根保持音箱驱动器和辐射器原封不动的导线束。而在移除后,进一步暴露了通讯和音频处理模块,以及中音驱动器的有趣设计。这些模块与组件经由主板上的孔洞与隔离泡棉粘合在一起。

这进一步确保了结构的完整度,增加了紧密、精巧、扎实以及设计良好的底座与内部结构。底座本身是一块无接缝的塑料。对于专业音响玩家来说,考虑结构的完整性也很重要,因为这有助于将底座的震动降至最低,而使得音讯更多采多姿。它也为低音辐射器提供了稳固的基础:防水和高阶音响的结构设计,确实有互惠的需要。

在主板上的音频电子组件由三个主芯片驱动:两个恩智浦半导体(NXP)的1334B低功耗音频数字模拟转换器(DAC),以及一个德州仪器(Texas Instruments;TI)的TPA3131 7W D类立体声放大器(图4)。

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图4:在主要的音讯处理和放大阶段,由2个NXP低功率DAC和1个TI D类放大器驱动

1334B DAC专为可携式音讯应用设计。它不需要模拟后置滤波,但使用了一个数字滤波器,可执行44.1kHz取样率的数字预加重。它还有一个有趣的功能是支持噪声整形,可将频段内的量化噪声转移到更高音频的频率,从而提高讯号噪声比(SNR)。因此,当装置使用3V电源时,可达到100dB的音量。

TPA3131以4Ω最高达2 x 42 W的峰值功率驱动音箱。它不需要散热片,但使用PowerPAD经由底部散热到电路板。

连老奶奶也为之起舞

总而言之,Megablast实现了出色的可携式音讯和易用性。它在外观设计上有一点奇特,但由于性能出色让「老奶奶」也赞不绝口。当她问「这又是你的另一个小玩意儿?」,我不得不说曾经是。我向奶奶解释它的功能时,她挥挥手中的拐杖,不以为然地反驳说:「是喔?但是我敢打赌它没办法播放『蓝色多瑙河』(The Blue Danube)吧?」我建议她不如问问这台装置。结果令人震惊的是我们在几秒后就听到它开始播放这首曲子了。这让奶奶开心地笑了,又惊又喜地舞着华尔兹蜷进她温暖的汽车中。在假期间,她还问我是否能帮她买一个。当然没问题!

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图5:Megablast的主要组件

(原文发表于Aspencore旗下EDN姐妹媒体Electronic Products;参考链接:Teardown: Megablast speaker leads voice-controlled charge at CES 2018 ;Susan Hong编译)

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本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
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