Разбор спикерфона: что внутри и как это работает

Спикерфон — частый обитатель конференц-залов, рабочих столов руководителей и импровизированных переговорных. Небольшие спикерфоны берут с собой в поездки, а также используют в автомобиле и не отказывать себе в конференциях по телефону. Они разнятся своими формами и размерами, функционалом и набором интерфейсов. Неизменной остается только их цель — обеспечить комфорт общения в режиме громкой связи без гарнитур, микрофонных пультов и прочих устройств.

Эту статью я публиковал ранее, получил хороший фидбек от читателей и хочу поделиться результатом проделанной работы. Под катом будет много фотографий железа, технической информации и как ее применить на практике.

В каком случае следует использовать спикерфон?

Тут все просто: использовать гарнитуру — это идеальное решение, капсюль микрофона расположен максимально близко к источнику звука, а динамик находится непосредственно на ухе. Таким образом факторы помещения и окружения практически не оказывают влияния, благодаря чему сохраняется высокое качество звука.

Если в конференции должны участвовать несколько человек, то придется выдумать способ все подзвучить. Вариантов несколько:

1. Применить конгресс-систему: каждому участнику конференции поставить направленный микрофон, микрофонный пульт и оборудовать помещение акустической системой
2. Установить массив микрофонов и саундбар
3. Подключить спикерфон

Спикерфон — это самый простой и доступный вариант. Тем более, что у меня есть очень хороший экземпляр для исследования, который я с удовольствием разберу и покажу что к чему.

Вообще, технически это не просто спикерфон, а конференц-телефон, т.к. его можно использовать без ПК.

Итак, перед нами Spider от Phoenix Audio.

Купол из сетки скрывает микрофонный массив и динамик. Устройство имеет внушительную массу и подошву из вспененного материала, благодаря чему он твердо стоит на поверхности и не производит лишних звуков при перемещениях по столу и нажатиях клавиш.

Из круглого корпуса выделяется клавиатура с монохромным дисплеем. Клавиатура закрыта неким прорезиненным материалом, сквозь который просвечивают символы-обозначения клавиш.

На дне спикерфона имеется специальная полость, в которой находится панель интерфейсов спикерфона, а также это пространство предусмотрено для организации кабелей. Также подключенный спикерфон можно установить над технологическим отверстием в столешнице.

Спикерфон оснащен интерфейсом Ethernet для автономной работы SIP-клиента и microUSB для использования вместе с ПК, а также разъемом для подключения дополнительной акустической системы и Link Down. Большинство из нас знакомы с основными из них и используют их в повседневной жизни, тем не менее, один из них точно требует пояснения. Это Link Down, который позволяет соединить несколько спикерфонов в цепь простым кабелем UTP. Полученный массив спикерфонов работает согласованно, как единое устройство, и может охватить конференц-зал площадью до 100м².

Подводные камни

Как известно из школьного курса физики, уровень звукового давления снижается при удалении от его источника. Падение происходит логарифмически, и вычислить его можно при помощи уравнения:

ΔL=20lg(r₁/r₂)

где r₁ и r₂ — расстояние до источника звука в начальной и конечной точках.

Вот, к примеру, спокойная речь на дистанции 20 см, выше порога слышимости на 60 дБ.

Расстояние от источника голоса, м	Падение уровня звукового давления относительно порога слышимости, дБ	Пример из жизни	Минимальный коэффициент усиления на микрофоне
0,2 м	60	Общение лицом к лицу	1
0,5 м	52	Фоновый смех	3
1 м	46	Фоновый диалог	15
2 м	40	Бурная дискуссия за стеной в переговорной	63
4 м	34	Уровень шума в офисе в субботу утром	250

Отдалившись от спикерфона более чем на 4 м, уровень звукового давления снижается до фонового шума офиса. Это значительно усложняет задачу электроники по захвату и обработке звука, а также повышает требования к усилению звука и применению специальных алгоритмов обработки.

Что же там внутри?

«Паук» разобран, и можно рассмотреть всю электронику детально. Всю работу выполняют 3 основных узла: массив микрофонов, материнская плата и плата усилителя мощности звука.

А теперь порядку:

1. Массив микрофонов формирует лучи захвата звука. Система анализирует окружающую среду и включает микрофоны таким образом, чтобы лучше усиливать только голос и только с того направления, откуда он поступает.

   

   В спикерфоне применяются направленные электретные микрофонные капсюли с эффективным углом работы около 130⁰. Направленные во все стороны капсюли имеют некоторый нахлест в углах снятия звука(около 40⁰): это позволяет формировать точные лучи захвата звука, вычитая и суммируя сигналы с разных капсюлей.

   На этой плате также расположена световая индикация работы устройства, операционные усилители и система согласования с главным процессором.

   

   Тут происходит первичное выравнивание громкости входного сигнала: на каждый микрофон приходится сдвоенный операционный усилитель, который через систему обратной связи повышает амплитуду слабого сигнала и снижает слишком громкие звуки до заданного уровня, т.е. меняет чувствительность каждого микрофона в отдельности. Далее мы выясним, для чего это нужно.

   

   Массив микрофонов целиком обернут силиконовым чехлом, где каждому капсюлю выделено отдельное посадочное место. Чтобы микровибрации от динамика и шорохи от касания корпуса устройства, которые возникают при работе с ним, не вызывали шума и дребезжания в захватываемом звуке.

   

2. Далее звук попадает на материнскую плату для оцифровки, обработки и передачи собеседнику.

   

   Сердцем “Паука” выступает чип израильской компании AudioCodes, управляющий всеми процессами, периферийными устройствами и интерфейсами в аппарате. Также в составе этого чипа трудится процессор цифровой обработки звука (Digital Signal Processor, далее DSP).

   DSP делит спектр полученного звука на отдельные участки и обрабатывает их параллельно, удаляя все то, что отличается от человеческого голоса. В отличие от обычных конгресс-систем программная часть в DSP — это главная часть спикерфона, и реализует она следующие алгоритмы обработки звука:

   • Адаптивный фильтр анализирует звук в помещении и подавляет равномерно распределенный статический шум, например — шум от кондиционера, звуки с улицы или шелест кулера ноутбука. Принцип действия схож с человеческим ухом: поначалу в шумной обстановке общаться довольно сложно, однако после адаптации влияние раздражителей снижается. Разница лишь в том, что DSP делает это практически мгновенно, чем избавляет нас от необходимости привыкать.

     Однако есть ситуации, в которых спикерфоны буквально сходят с ума, и причина этому — системы антипрослушки, которые очень любят наши спецслужбы.

     Эти системы трудятся на оконных рамах для заполнения комнаты случайным шумом, неслышным человеческому уху. В этом случае адаптивный фильтр попросту не успевает приспособиться к быстро меняющимся условиям и только ухудшает ситуацию.

   • Подавление эха. В данном случае мы рассмотрим эхо как возврат собственного голоса собеседнику. Микрофон улавливает то, что воспроизводит динамик, и собеседник слышит сам себя, что весьма нешуточно раздражает 🙂

     Таким образом, реплика собеседника существует в двух видах: оригинал, воспроизводимый динамиком, и эхо-копия, полученная с микрофона. Исходя из того, что процессор “знает” какой сигнал он направлял на динамик, остается только вычесть одно из другого. После вычитания могут быть слышны щелчки и прерывания звука, так как эти аудиодорожки все же отличаются из-за геометрических свойств помещения и потому после этой процедуры применяют дополнительный адаптивный фильтр, удаляющий остатки вычитания. За годы развития цифрового аудио было придумано множество решений данной проблемы, алгоритмы которых трепетно оберегаются производителями и патентными бюро. Потому программная часть DSP — наиболее важная и ценная составляющая всего девайса, где аппаратная часть вторична.

   • Снижение реверберации. В помещении без специальной акустической отделки любые звуки многократно отражаются, и эти отражения создают неблагоприятный шум. Большую часть проблем разработчикам доставляют поверхности, зеркально отражающие звук, например — стекло.Так как направление отражений постоянно меняется, то большую часть из них легко отсечь, захватывая звук только в одном направлении. Массив микрофонов под управлением DSP формирует лучи направленного захвата звука, чтобы снизить влияние реверберации до уровня, с которым продолжит работать специальный программный фильтр.
   • АРУ, или автоматическая регулировка усиления, компенсирует разницу в уровне звукового давления. Проще говоря, спикерфон уравняет по громкости как тихую, апатичную речь, так и громкие, эмоциональные реплики. Обработка начинается с момента захвата звука микрофонным массивом, DSP нормализует уровень амплитуду сигнала для проведения качественной дальнейшей обработки, которая происходит уже в цифровом виде. В результате, зачастую невозможно определить, на каком расстоянии от спикерфона находится собеседник: сидит он за столом переговоров, ходит вокруг него или набирает воду из кулера — слышимость будет одинаково хорошей.
   • Вообще в спикерфонах, помимо описанных алгоритмов обработки звука, есть множество других, менее примечательных, но столь же важных алгоритмов, позволяющих девайсу адаптироваться к различным ситуациям. К примеру — компенсировать разницу в уровне реверберации, вызванную геометрической конфигурацией помещения, или эффективно работать в цепи из нескольких подобных устройств. Каждый производитель разрабатывает собственные, уникальные фичи и возможности.
   

3. В центре, под куполом, располагается 10-ваттный динамик американской фирмы Arelle Labs, который также дополнительно развязан от корпуса устройства демпфирующими прокладками.

   Система звукоусиления построена на высокоэффективной, малошумной интегральной микросхеме, работающей в классе D, что обеспечивает высокую эффективность усиления звука при малых габаритах. Питание усилителя, как и сам усилитель, расположены на отдельной плате под динамиком.

   

Так устроен спикерфон — аппарат громкой связи, который является одним из самых частых элементов в переговорных комнатах (или на столе руководителя какой-нибудь компании). Основная особенность — это сохранение качества звука при общении вне зависимосоти от акустических недостатков среды, в которой он работает. При этом, разделанный мной «паук» может быть включен в сеть из 15 таких спикерфонов.

Чтобы написать статью, я углубился в доклад Джозефа Мараша, генерального директора американской Phoenix Audio Technologies, в котором он весьма детально рассказывает о важности качества звука в конференц-залах и нюансах применения режимов громкой связи.

Ранее я препарировал 2 PTZ-камеры разных поколений и выяснил, что изменилось за 10 лет прогресса. Потому добавляю к статье опрос: какой девайс разобрать следующим?