Smarte Lautsprecher für das Smart-Home entwickeln

| Autor / Redakteur: Zachary Kingsak und Avi Yashar * / Michael Eckstein

Bild 1: Blockschaltbild eines Smart-Speaker-Designs
Bild 1: Blockschaltbild eines Smart-Speaker-Designs (Bild: Texas Instruments)

Das Vernetzen elektronischer Geräte zuhause ist gefragt wie nie. Sprachsteuerung und Audioausgabe spielen in vielen Anwendungen eine zentrale Rolle. Der Beitrag zeigt, wie sich diese Funktionen integrieren lassen.

Die Smart-Home-Branche ist seit einigen Jahren im Aufwind. Integrierte Lautsprecher für das Smart-Home wie Amazon Echo oder Google Home sorgen mittlerweile in vielen Haushalten für mehr Komfort. Damit können Benutzer beispielsweise einfach per Sprache die Beleuchtung, Beschallung oder die Jalousien in ihrem Haus oder ihrer Wohnung steuern. Unternehmen, die zuvor einfache Hausgeräte hergestellt haben, verzeichnen inzwischen eine gesteigerte Nachfrage nach Audioausgabe in HiFi-Qualität – und diese beschränkt sich nicht auf einfache Signaltöne, die melden, dass die Wäsche fertig ist. Vielmehr kann unter anderem ein Kühlschrank eine Einkaufsliste vorlesen, oder ein Lichtschalter kann an das Abschalten der Beleuchtung vor dem Verlassen eines Raums erinnern.

Das Hinzufügen von Audiofunktionen kann eine echte Herausforderung sein und den ohnehin angespannten Zeitplan eines Entwicklerteams durch die gesteigerte Komplexität zusätzlich belasten. Der Beitrag geht auf vier Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Smart-Home-Audiodesign ein und zeigt Möglichkeiten auf, den Entwicklungsprozess zu vereinfachen.

Projektanforderungen möglichst genau definieren

Eigentlich hört sich die Aufgabe recht einfach an: Ein Gerät soll eine Sprachausgabe ermöglichen. Allerdings wird die Audioausgabe von vielen Design-Entscheidungen und limitierenden Faktoren begleitet. So sollen Smart-Home-Geräte oft möglichst klein sein, andererseits dürfen Klang und Sprachverständlichkeit nicht unter einem schlanken Gehäuse leiden. Zudem ist es schwierig, aus einem riesigen Angebot von Optionen, die auf den ersten Blick oft auch noch alle recht ähnlich erscheinen, die richtigen Komponenten auszuwählen.

Texas Instruments (TI) hat interaktive Blockschaltbilder entwickelt, die den Auswahlprozess vereinfachen und für bestimmte Smart-Home-Anwendungen Empfehlungen für geeignete Bauelemente geben. Zum Beispiel zeigt das Smart-Speaker-Blockschaltbild in Bild 1 das Audio-Subsystem und verschiedene Audioverstärker mit Eigenschaften, die vielen Anforderungen in Smart-Home-Designs gerecht werden. Audio-Referenzdesigns auf derselben Seite enthalten Schaltpläne, listen ergänzende Bauelemente auf und können als Vorlage für eigene Projekte dienen. Sie bieten damit die Möglichkeit, die eigenen Systemkenntnisse auszubauen und die Bauteilauswahl weniger mühsam zu gestalten.

Audioausgabe und Energieeffizienz in Einklang bringen

Wenn ein Smart-Home-Gerät mit mehr Funktionen ausgestattet wird, erhöht sich sein Stromverbrauch – das ist auch bei der Audioausgabe nicht anders. Andererseits streben die Technologieunternehmen nach mehr Umweltfreundlichkeit, während gleichzeitig strengere Vorschriften die zulässige Standby-Leistungsaufnahme begrenzen. Daher ist es inzwischen wichtiger als zuvor, neue Produkte für einen geringen Stromverbrauch zu optimieren. Ineffiziente Audiosysteme haben in Summe einen großen Anteil an der Energieverschwendung. Zudem sind Anwender wenig erbaut, wenn sich Smart-Home-Produkte auf der eigenen Stromrechnung bemerkbar machen, einen häufigen Batteriewechsel erfordern oder übermäßig warm werden, was zum Beispiel zu Verfärbungen von Möbeln führen kann.

Audioverstärker spielen vielleicht nicht ständig Klänge ab, müssen aber schnell reagieren, wenn die Benutzer Rückmeldungen oder eine Nachricht benötigen – man denke nur an eine Überwachungskamera oder ein Smart Display im Leerlaufmodus. Auf der anderen Seite muss ein Bluetooth-Lautsprecher, der eine sommerliche Playlist abspielt, die Musik möglichst effizient wiedergeben, damit der Akku – und damit auch die Pool-Party – den ganzen Abend lang durchhält.

Um Anwendungen im Smart-Home-Segment gerecht zu werden, verfügen die neuesten Lautsprecherverstärker von TI über durchdachte Power-Management-Features. So minimiert zum Beispiel ein proprietäres Hybrid-Modulationsschema die Leerlaufstrom-Verluste in Anwendungen mit 12 V, während ein eingebauter Klasse-H-Verstärker mit einem vom Audiosignal gesteuerten Envelope-Tracking-Algorithmus die Batterielaufzeit von batteriebetriebenen Systemen um bis zu 40% verlängern kann.

Bild 2: Eine dynamische Klasse-H-Versorgungsspannung kann gegenüber konstanten 12 V sehr viel Energie einsparen.
Bild 2: Eine dynamische Klasse-H-Versorgungsspannung kann gegenüber konstanten 12 V sehr viel Energie einsparen. (Bild: Texas Instruments)

Die Kurven in Bild 2 zeigen, wie ein algorithmengesteuerter, mehrstufiger Verstärker gegenüber einer fixen Versorgungsspannung von 12 V sehr viel Energie sparen kann, besonders wenn es Audiosignale mit geringerer Verstärkung wiederzugeben gilt. Die Elektronik muss sich in schlanke, minimalistische Designs einfügen. Die kleinen Abmessungen von Hausgeräten, die niemals für Audiofunktionen gedacht waren, machen es jedoch zwangsläufig schwierig, zusätzliche Bauteile wie etwa Lautsprecher, digitale Signalprozessoren (DSPs), Aufwärtswandler und Lautsprecher aufzunehmen. In Anbetracht dieser Restriktionen haben sich die Audio-Teams von TI auf die Entwicklung von Verstärkern mit mehr integrierten Features konzentriert, um die Anzahl der externen Bauelemente zu verringern und den Platzbedarf des Audio-Subsystems zu optimieren.

Mit Spezialfunktionen die Audio-Performance optimieren

In einem Smart Speaker, der in vielen Fällen das zentrale Element des Smart-Home-Ökosystems darstellt, sind eine hochwertige Musikausgabe und Rückmeldungen seitens des virtuellen Assistenten entscheidend für die Zufriedenheit der Anwender. Muss zum Erzeugen einer qualitativ hochwertigen Audioausgabe ein Audio-DSP hinzugefügt werden, treibt das nicht nur die Kosten in die Höhe, sondern erhöht auch die benötigte Leiterplattenfläche. Mithilfe von Verstärkern mit integrierten Verarbeitungsfunktionen lässt sich ein Lautsprecher hingegen so abstimmen, dass einerseits Meldungen des virtuellen Assistenten glasklar ausgegeben werden und andererseits Musik mit gutem Klang wiedergegeben wird.

Ein externer Echokompensations-Algorithmus kann sogar das nachverarbeitete Signal nutzen, um einem Smart Speaker bei der präziseren Unterscheidung zwischen Audioausgabe und Sprachbefehlen der Anwender zu helfen. Die hohen Schaltfrequenzen von Klasse-D-Lautsprecherverstärkern erzeugen elektromagnetische Interferenzen (EMI), die die Audiosignale verzerren. In der Regel verwendet man mehrere große Induktivitäten, um diese Störgrößen zu unterdrücken. Features wie die Spread-Spectrum-Technik oder die Phasenoptimierung können EMI jedoch ohne sperrige Bauteile unterdrücken, was den Platzbedarf verringert, Kosten reduziert und eine verzerrungsarme Audioausgabe ermöglicht.

Im Regelfall steht die akustische Ausgangsleistung eines Lautsprechers in engem Zusammenhang mit seiner Größe. Wird mehr Lautstärke gewünscht, benötigt man folglich einen größeren Schallwandler. Das kommt allerdings bei der Konstruktion eines für beengte Platzverhältnisse vorgesehenen Produkts oft nicht in Frage. Eine Video-Türsprechstelle muss die Stimme des Hausbewohners auch in lauten Umgebungen klar und deutlich ausgeben, darf aber dennoch nicht viel Platz beanspruchen. Die kleinen Lautsprecher jedoch, die in solche Designs passen, sind tendenziell von geringerer Leistung und erleiden leichter Schäden, wenn sie überhitzen oder übersteuert werden. Mit den Lautsprecherschutz-Algorithmen von TI können allerdings auch kleinere Lautsprecher große Lautstärken erzeugen und eine höhere Qualität erreichen als zuvor.

Bild 3: Dank Limiter-Algorithmen in den Leistungsverstärkern können Lautsprecher die doppelte Lautstärke erzeugen, ohne Schaden zu nehmen.
Bild 3: Dank Limiter-Algorithmen in den Leistungsverstärkern können Lautsprecher die doppelte Lautstärke erzeugen, ohne Schaden zu nehmen. (Bild: Texas Instruments)

Wie Bild 3 verdeutlicht, können Lautsprecher beim Einsatz der Algorithmen der TI Smart Amps eine höhere Durchschnittsleistung ausgeben, ohne die Integrität des Schallwandlers zu beeinträchtigen. Im Smart Home bedeutet der Lautstärkeunterschied, dass Besucher an der Haustür den Hausbewohner problemlos verstehen können, auch wenn Autos in unmittelbarer Nähe vorbeifahren. Die Tatsache, dass sich Wärme bei beengten Platzverhältnissen schlechter abführen lässt, stellt ein Problem für die immer kleiner werdenden Smart-Home-Produkte dar.

Wärme kann die eingebauten Bauelemente beschädigen, die Nutzererfahrung beeinträchtigen oder im schlimmsten Fall sogar zu Bränden führen, wenn sie nicht sorgfältig berücksichtigt wird. Erfolgt das Design unter Berücksichtigung der Wärmeenergie, so müssen das Leiterplatten-Layout und die Stärke der Kupferkaschierung beachtet werden, oder es sind Features wie ein Thermal Foldback erforderlich. Damit können Lautsprecherverstärker die Wärmeentwicklung herabsetzen, indem sie die Verstärkung der Audiosignale im laufenden Betrieb anpassen, sobald es zu einer Überhitzung kommt. Sichere und zuverlässige Produkte lassen sich realisieren, wenn das Wärmemanagement von Beginn an beim Design einbezogen wird.

Fortschrittliche Audio- Verstärkerfunktionen nutzen

Fortschrittliche Funktionen können viele Probleme lösen und klingen auf dem Papier zunächst wunderbar. Ihr tatsächlicher Nutzen ist jedoch gering, wenn sie zu schwierig umzusetzen sind – insbesondere für Entwickler, die das erste Mal mit Audiofunktionen zu tun haben. Beim Design sind Erfahrungen Leistungselektronik und Signalverarbeitung erforderlich. Hier das Rad neu zu erfinden, ist oft nicht zielführend. Eine Implementierung mit externen Bauelementen ist schwierig und nutzt die Leiterplattenfläche oft zu ineffizient.

Um das Design von Produkten der nächsten Generation zu vereinfachen, hat TI nicht nur Funktionen in Verstärker integriert, sondern macht sie mit einem kostenlosen Softwaretool auch einfach steuerbar. Das Softwarepaket PurePath Console 3 vereinfacht den Umgang mit diesen Bauelementen, indem es an das Evaluation Module (EVM) des jeweiligen Bausteins angeschlossen wird und den Entwicklern die Möglichkeit bietet, über eine moderne und bedienungsfreundliche grafische Benutzeroberfläche schnell die Audioausgabe abzustimmen, Einstellungen zu kalibrieren und die Lautsprecher zu charakterisieren.

Schrittweise vorgehende Abstimmungs- und Charakterisierungs-Assistenten und eine ganze Bibliothek an Schulungsmaterial beschleunigen die Einarbeitung in neue Tools. Die Software bietet Kompatibilität zu einer Vielzahl an Audio-EVMs von TI und ermöglicht es, in Projekten, die künftig neue Bauelemente nutzen, dasselbe Softwarepaket zu verwenden. Da Power Management, Lautsprecherschutz und Audio-Entzerrung in die Bauelemente eingebaut sind und sich über die PurePath Console-Software einfach konfigurieren lassen, entsteht kein oder nur ein geringer Aufwand für die Softwareentwicklung. Zusammengenommen vereinfacht sich damit die Realisierung eines energieeffizienten, durch hohe Klanggüte gekennzeichneten Audio-Subsystems, das die Anwenderzufriedenheit verbessert und kaum Risiken für den Zeitplan des Gesamtprojekts birgt.

* Zachary Kingsak ist Product Marketing Engineer, Mid-Power Audio and Actuators, bei Texas Instruments

* Avi Yashar ist Product Marketing Engineer, Mid-Power Audio Amplifiers, bei Texas Instruments

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 46063334 / Smart Home)