オーディオは電子製品では一般的な機能です。スマートスピーカーやスマートテレビなど、オーディオ再生に関連するさまざまな製品も市場に出回っています。この記事では、オーディオ製品の設計に関連する主要なテクノロジーと、関連するインタラクティブ オーディオ ソリューションについて説明します。
オーディオコーデックはオーディオ製品の重要な技術です
オーディオ製品の設計において、オーディオ コーデックは非常に重要なキー テクノロジーです。オーディオデジタルデータストリームをエンコードまたはデコードするために使用できるデバイスまたはソフトウェアです。特定のオーディオ ファイルまたはストリーミング メディアのオーディオ コーディング形式に基づいて、デジタル オーディオ データを圧縮および解凍するアルゴリズムを実行できます。特に、アルゴリズムの設計目標は、一定の音質を確保しながら、デジタルオーディオで最小限のビットを使用して高忠実度オーディオを表現することであり、これにより、オーディオファイルの転送プロセスによって占有される帯域幅とストレージスペースを効果的に削減できます。
現在、市場にはaptX、ATRAC、AAC、MP3、SBC、Opusなどのさまざまな規格やテクノロジーなど、多種多様なオーディオ コーデックが存在します。さまざまなアプリケーションに応じて、一部のオーディオ コーデックは高品質のオーディオ再生用に設計されており、そのほとんどはロスレス圧縮技術を採用し、高いビット レートを生成し、プロセッサのパフォーマンスに対する要件が高くなります。低レイテンシ、低ビットレート、プロセッサパフォーマンス要件が低いネットワークオーディオストリーミング用に設計されたものもあります。さらに、一部のオーディオ コーデック テクノロジは、特定のメーカーが独占的に所有しています。導入する場合は、これらのメーカーからライセンスを取得し、ロイヤリティを支払う必要があります。一部のオーディオ コーデックはオープン ソース テクノロジに属しており、ロイヤリティなしで自由に使用できます。したがって、導入コストは低くなります。
リアルタイムのインタラクティブ通信のための低遅延オーディオコーデック
この記事では、まずOpusオーディオ コーデックについて説明します。これは、リアルタイムのインタラクティブ通信に十分な低遅延性と、ローエンドの組み込みプロセッサに十分な低複雑さを維持しながら、音声と一般的なオーディオを1つの形式で効果的にエンコードすることを目的とした、非可逆オーディオ コーディング形式です。
Opusは、音声や音楽のストリーミング、圧縮オーディオのストレージなど、さまざまな種類のアプリケーションで使用できる、オープンでロイヤリティフリーの多用途オーディオ コーデックです。これは、インターネット技術タスクフォース (IETF) によって策定されたRFC 6716標準です。6 kbit/sの低ビット レートの狭帯域音声から510 kbit/sの高品質ステレオ音楽まで対応します。複雑さの度合いが低く、スケーラビリティも低いため、幅広いインタラクティブ アプリケーションに適しています。
Opusの構造は主に2つのレイヤーで構成されます。1つは線形予測 (LP) に基づいており、もう1つは修正離散コサイン変換 (MDCT) に基づいています。Opusはロスレスとロッシーの技術的結果を効果的に組み合わせます。たとえば、音声アプリケーションでは、コード励起線形予測 (CELP) などのLPテクノロジは、MDCTなどの変換領域テクノロジよりも低周波数をより効率的にエンコードできます。Opusコーデックは、SILKとCELTコーディング テクノロジで構成されています。前者（元々 Skypeによって開発）は線形予測コーディング（LPC）を使用し、後者（Xiph.Orgによる）はMDCT変換に基づいて完全にモデル化されています。この汎用性により、Opusは3つのモード (SILK、CELT、ハイブリッド モード) で実行でき、さまざまなアプリケーションに対して複数の構成をサポートします。
Opusは、Voice over IP、ビデオ会議、ゲーム内チャット、さらにはリモートライブ音楽パフォーマンスなど、幅広いインタラクティブオーディオアプリケーションを処理できます。低ビットレートの狭帯域音声から非常に高品質のステレオ音楽まで対応できます。サポートされている機能は、6 kb/s ～ 510 kb/sのビットレート、8 kHz (ナローバンド) ～ 48 kHz (フルバンド) のサンプリング レート、2.5 ms ～ 60 msのフレーム サイズ、固定ビット レート (CBR) と可変ビット レート (VBR)、ナローバンドからフルバンドまでのオーディオ帯域幅、音声および音楽アプリケーションです。モノラル、ステレオ、最大255チャネル (マルチ ストリーム フレーム) をサポートし、ビット レート、オーディオ帯域幅、フレーム サイズを動的に調整でき、優れたパケット損失堅牢性とパケット損失隠蔽 (PLC) テクノロジを備え、浮動小数点と固定小数点の実装をサポートできます。
高度に統合された低消費電力オーディオコーデックソリューション
Arrow Electronicsは、スマート スピーカーなどのインタラクティブ オーディオ アプリケーション向けにOpusインタラクティブ オーディオ コーデック リファレンス ソリューションを発表しました。Arrow Electronicsは、STMicro STM32WB、外部PA、FP-AUD-BVLINKWB1を使用してリファレンス デザインを構築し、高度なOpus圧縮アルゴリズム テクノロジを使用して、BLE経由のステレオ音楽ストリーミング用のリモート全二重音声ストリーミングを実行します。
STM32WBは、マルチプロトコル ワイヤレスおよび超低電力デバイスを組み込んだ製品で、Bluetooth®、Low Energy SIG仕様5.2、およびIEEE 802.15.4-2011に準拠した強力な超低電力無線です。これらには、すべてのリアルタイム低層操作を実行するための専用のArm®Cortex®-M0+ が含まれています。これらのデバイスは、極めて低消費電力になるように設計されており、最大64 MHzの周波数で動作する高性能Arm® Cortex®-M4 32ビットRISCコアをベースにしています。このコアには、すべてのArm®単精度データ処理命令とデータ型をサポートする浮動小数点ユニット (FPU) が搭載されています。また、アプリケーションのセキュリティを強化するDSP命令のフルセットとメモリ保護ユニット (MPU) も実装しています。
リファレンスハードウェアとソフトウェア設計による総合的なソリューションを提供します
Arrow Electronicsのチームは、STM32WB外部PAソリューションをFP-AUD-BVLINKWB1 STM32Cube機能パックに統合し、BLE経由のステレオ音楽ストリーミング用のリモート全二重音声ストリーミングを実行しました。このシステムは2.4GHz信号を送信し、20dBmを出力でき、リファレンス ハードウェアおよびソフトウェア設計を備えた全体的なソリューションを提供します。
FP-AUD-BVLINKWB1には、BLEおよびデジタルMEMSマイク用のドライバーとミドルウェアが含まれています。また、2つのSTM32WB間で双方向かつ同時のオーディオ ストリーミングを実行するためのサードパーティ ミドルウェアとして、完全なOpusオーディオ コーデック (v 1.3) も含まれています。周辺モジュールは、STBLESensorアプリを実行しているモバイル デバイスと全二重モード (16 kHzの双方向オーディオ) で通信したり、同じアプリから48 kHzでステレオ音楽を受信したりすることもできます。STM32WBとSTデバイスの推奨組み合わせを使用したソフトウェアは、スマート ホームやウェアラブル アプリケーション向けのワイヤレス オーディオ通信システムの開発に使用できます。このソリューションで使用されるOpusアルゴリズムは、低いビットレートでも高音質を実現する柔軟性を提供し、STM32WBは低消費電力機能を備えているため、消費電力が非常に少ないアプリケーションの開発が可能です。
結論
スマートスピーカーやスマートテレビなどの市場の急速な成長により、インタラクティブなオーディオ処理の需要が高まっています。この記事で紹介したインタラクティブ オーディオ コーデックのリファレンス デザイン ソリューションは、関連製品の開発に最適です。さらに詳しい情報については、Arrow Electronicsの現地営業担当者にお問い合わせください。