今年的國際消費電子展(CES 2018)預示著以語音為基礎的人機介面(HMI)展現突破的一年來臨,從各大科技業者展示的智慧音箱就可看出這一技術的最新進展。例如美國耳機製造商Ultimate Ears (UE)展示基於Alexa的Megablast智慧音箱,據稱在一個防水機箱中結合了高階的音訊播放、藍牙、Wi-Fi和先進的聲學處理前端。我們恰巧有機會拿到了這款產品進行拆解,一起來先睹為快!

亞馬遜(Amazon)藉由其基於Alexa的Echo音箱,為支援語音控制的數位音訊播放系統設定了新標準。從那時起,包括Bose與Sonos等老字號的音訊公司,以及Google、蘋果(Apple)等其他科技大廠紛紛效仿;另一方面,這些老字號的音訊公司也經由整合來自Apple、Google與Amazon的語音助理,施展其「多元」選擇的策略。

對於挑剔的用戶來說,雖然單個小型音箱的音訊品質可能無法達到專業音響玩家要求的劇院級音效,但可以確定的是,其易用性和可攜式方面已經夠好了。因此,對於使用者而言,真正重要的考慮因素有三:音訊的播放品質、無線連接的固有品質和可靠性,以及裝置用於辨識語音助理啟動觸發和相關指令的能力。即使是在面對高音量、嘈雜刺耳的背景時,它仍然必須能正常地執行。

Ultimate Ears是羅技(Logitech)旗下的耳機品牌,針對上述三項關鍵指標設計了Megablast,同時提供防水防塵達IP67級(圖1),據稱可以在深達1公尺的水中浸入30分鐘。Megablast內建Amazon Alexa,以及Wi-Fi與藍牙;僅需5分鐘即可完成設定並開始運作,從Amazon Music串流音樂。除了Alexa的功能,還可以支援大多數流行的獨立音訊串流媒體服務。

20180307_Megablast_NT31P1 圖1:Ultimate Ears的Megablast音箱採用亞馬遜Alexa,提供高品質音訊播放系統的語音控制,同時達到IP67防水防塵等級(來源:Ultimate Ears)

Megablast的尺寸約237mm x 88mm,能以高達93dB的最大音量輸出360°環繞音效,支援60Hz~20kHz的頻率範圍,並使用2個25mm的高音喇叭、2個55mm的中音喇叭驅動器,還有2個85 x 50mm的被動輻射器用於低音喇叭。該音箱採用鋰離子(Li-ion)電池,單次充飽電後的續航力可達16小時,並支援長達150英呎距離的藍牙連接,以及330英呎的2.4/5-GHz Wi-Fi。語音辨識子系統使用多支麥克風,提供波束成形技術以及雜訊消除功能。

這款有趣的音箱還附帶有一個可拆式D形環,可以作為掛鉤懸掛音箱,也可以拆下讓音箱安裝在腳架或獨立的無線充電座上。或者,如果以USB電源線與AC轉接器充電時,必須先將遮蓋USB充電埠的背蓋打開。

設計奇特但用戶體驗佳

從Megablast的成本來看,你可能會預期它應該很容易與藍牙和Wi-Fi連接,但聲音品質就不期待了:事實上,它的音質可說是驚人的好。根據物理定律,小型音箱的低音一般不優,但中高音清晰且能如預期表現。因此,如果你不期待像劇場般的震動低音,應該會對它的音訊品質和易用性感到驚喜。

Megablast證實了它能在滿屋子高談闊論的客人中擷取到關鍵字(Alexa)的能力,而且在測試其靈敏度時,表現出能在距離大約5英呎處拾取低聲耳語。奇怪的是,Megablast的外觀設計無法清楚顯示Alexa是否正在傾聽或聽到了指令,除非把它放在眼睛的視線水平以下。Amazon的Echo和Echo Dot都會在頂部邊緣發出閃閃發光的藍色圈圈,而Megablast只在頂部發出一小束銀光,所以只有在俯視時才能看到它是否正在運作。

如何運作?

由於Megablast可防水,所以在拆解其內部構造時必須根經經驗作判斷,小心謹慎地使用Dremel圓形切割工具。拆下每一端的塑料蓋後露出了四個螺釘,等到移除螺釘後,就可以掀開主要的結構看看內部情形。

接著移除覆蓋在機座上的彩色上蓋,我們發現在Megablast的頂部均勻地放置著三個微機電系統(MEMS)麥克風(圖2)。

20180307_Megablast_NT31P3 圖2:使用Dremel圓形工具拆下每一端的塑料上蓋並鬆開其下的螺絲,就可以看到主板(左上)以及電池(左下)。底座沿邊上的走線用於固定音箱驅動器的位置

一旦移除螺絲後,即可卸下連接到頂部電路板的麥克風,顯現出兩個主要的頂部開關:電源和靜音模式(Alexa Privacy Mode)。頂部電路板還裝載著藍牙無線電的直立式偶極天線,天線線路並從底板連接至主板的射頻(RF)和音訊處理模組(圖3)。

20180307_Megablast_NT31P4 圖3:三個MEMS麥克風用於拾取聲音,並透過DSP Group DBMD5音訊SoC處理賦予意義,而SPIL的Wi-Fi/藍牙RF IC則確保連續不間斷的串流傳輸

移除底端模組後就可以卸下電池了;該電池是日本和中國的客製設計,額定電壓為7.2V、3130mAh或22.5Whr(圖2)。一旦移除電池後,暴露出被動輻射器的腔室和主板的底端,它還帶有一個小型模組。

形成Megablast的核心模組

在進一步的分析後發現,連接到主板的這個小型模組包含了Megablast設計的兩個關鍵秘密:無縫且可靠的無線連接,以實現連續的串流傳輸;以及準確的語音辨識功能。

無線通訊部份來自Silicon Precision Industries Co.,Ltd. (SPIL)的SB-WBM-N07P系統級封裝(SiP),其中包括賽普拉斯半導體(Cypress Semiconductor)的兩個無線電晶片:CYW43907是帶有ARM Cortex應用處理器的IEEE 802.11a/b/g/n SoC,可支援高達150Mbits/s的資料速率,並覆蓋2.4/5GHz Wi-Fi頻段。值得注意的是,儘管150Mbits/s並非目前可用的最大Wi-Fi範圍,但音訊並不需要高吞吐量,因此可靠性和覆蓋範圍才是更重要的考慮因素。

在SPIL SB-WBM-N07P SiP上的第二個無線電晶片是整合收發器的CYW40707藍牙基頻SoC。它可支援藍牙低功耗,也與CYW43907一樣,最初來自博通(Broadcom)的無線部門,後來被Cypress收購。

從該模組延伸出三條天線走線:黑色的用於藍牙功能,連接到Megablast的頂部,另外兩條連接Wi-Fi,分別用於系統的兩側——一條有專用板,另一條則與Megablast的音量鍵共用電路板(圖3)。

Megablast語音辨識功能的核心在於該模組上的另一晶片:來自DSP Group於CES 2017發佈的音訊SoC——DBMD5。該晶片採用該公司的HDClear技術設計,可在高雜訊環境下實現語音控制,並支援對語音觸發和插話功能的控制。

作為Alexa的前端,音訊和語音處理器非常關鍵,因此,DBMD5配備了DSP Group的先進語音增強演算法,包括迴音消除、雜訊抑制、波束成形和遠場音效等。其他功能還包括語音緩衝,以實現自動語音辨識(ASR)應用的平穩操作。該板載雙核心DSP同時支援數位和類比麥克風。

在該模組下方是Macronix International的MX25L25645G 256Mbit序列NOR快閃記憶體晶片,支援RF通訊和音訊IC。

結構與聲學完整度

在更深入探索Megablast之前,必須先拆除兩根保持音箱驅動器和輻射器原封不動的導線束。而在移除後,進一步暴露了通訊和音訊處理模組,以及中音驅動器的有趣設計。這些模組與元件經由主板上的孔洞與隔離泡棉粘合在一起。

這進一步確保了結構的完整度,增加了緊密、精巧、紮實以及設計良好的底座與內部結構。底座本身是一塊無接縫的塑料。對於專業音響玩家來說,考慮結構的完整性也很重要,因為這有助於將底座的震動降至最低,而使得音訊更多采多姿。它也為低音輻射器提供了穩固的基礎:防水和高階音響的結構設計,確實有互惠的需要。

在主板上的音訊電子元件由三個主晶片驅動:兩個恩智浦半導體(NXP)的1334B低功耗音訊數位類比轉換器(DAC),以及一個德州儀器(Texas Instruments;TI)的TPA3131 7W D類立體聲放大器(圖4)。

20180307_Megablast_NT31P5 圖4:在主要的音訊處理和放大階段,由2個NXP低功率DAC和1個TI D類放大器驅動

1334B DAC專為可攜式音訊應用設計。它不需要類比後置濾波,但使用了一個數位濾波器,可執行44.1kHz取樣率的數位預加重。它還有一個有趣的功能是支援雜訊整形,可將頻段內的量化雜訊轉移到更高音頻的頻率,從而提高訊號雜訊比(SNR)。因此,當裝置使用3V電源時,可達到100dB的音量。

TPA3131以4Ω最高達2 x 42 W的峰值功率驅動音箱。它不需要散熱片,但使用PowerPAD經由底部散熱到電路板。

連老阿嬤也為之起舞

總而言之,Megablast實現了出色的可攜式音訊和易用性。它在外觀設計上有一點奇特,但由於性能出色讓「阿嬤」也讚不絕口。當她問「這又是你的另一個小玩意兒?」,我不得不說曾經是。我向阿嬤解釋它的功能時,她揮揮手中的枴杖,不以為然地反駁說:「是喔?但是我敢打賭它沒辦法播放『藍色多瑙河』(The Blue Danube)吧?」我建議她不如問問這台裝置。結果令人震驚的是我們在幾秒後就聽到它開始播放這首曲子了。這讓阿嬤開心地笑了,又驚又喜地舞著華爾茲蜷進她溫暖的汽車中。在假期間,她還問我是否能幫她買一個。當然沒問題!

20180307_Megablast_NT31P6 圖5:Megablast的主要元件

編譯:Susan Hong

(參考原文:Teardown: Megablast speaker leads voice-controlled charge at CES 2018,by Patrick Mannion, contributing editor)