基于低能耗藍(lán)牙的半雙工語音通信

　　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，評估BlueVoice應(yīng)用的功能、存儲器占用、性能需求和ASR識別率。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、存儲器占用和性能震求。此外，在接收端測量的ASR性能是另一個性能評估指標(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)算總功耗時加在總功耗中與平臺相關(guān)的數(shù)值。

　　本表所列數(shù)值可以視為一個指示性參考值，可能會隨實(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，就立即建立連接。在BlueVoice解決方案中，考慮到一個外設(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，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，兩種配置的理論續(xù)航時間分別是約65小時和33小時。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配置在兩個連續(xù)步驟之間存儲的數(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存儲器占用

　　2) ASR性能

　　BlueVoice在功耗、處理性能和存儲器占用方面表現(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)用由一個中央節(jié)點(diǎn)和一個外設(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配置的單詞識別率分別達(dá)到67%和82%，而16 kHz USB麥克風(fēng)的識別率達(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。