從開發(fā)工程師視角看TTS語音合成芯片

在語音交互領(lǐng)域，TTS 語音合成芯片作為關(guān)鍵角色，正不斷革新著人機(jī)對話的體驗(yàn)。從開發(fā)工程師角度深入剖析，TTS 語音合成芯片與傳統(tǒng)播報(bào)芯片相比，猶如智能手機(jī)對比功能機(jī)，有著諸多跨越性優(yōu)勢。

一、TTS 語音合成芯片vs傳統(tǒng)播報(bào)芯片

(一)內(nèi)容靈活性

傳統(tǒng)播報(bào)芯片如同老式唱片，內(nèi)容固化。在產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)就已將固定語音內(nèi)容燒錄進(jìn)去，后續(xù)很難更改。若產(chǎn)品應(yīng)用場景改變或需更新語音提示，就只能重新生產(chǎn)芯片，耗時(shí)又費(fèi)力。比如傳統(tǒng)的公交報(bào)站器芯片，若線路變更，重新更換芯片成本高昂。而 TTS 語音合成芯片宛如智能音樂播放器，只要有文本內(nèi)容，就能實(shí)時(shí)合成語音。開發(fā)工程師能通過程序輕松修改合成的語音文本，無論是多語言切換，還是根據(jù)不同情境動(dòng)態(tài)生成語音提示，都能靈活應(yīng)對。在智能客服設(shè)備中，可根據(jù)用戶問題實(shí)時(shí)合成回答語音，極大提升服務(wù)的多樣性。

(二)存儲(chǔ)需求

傳統(tǒng)播報(bào)芯片為存儲(chǔ)語音，需較大空間。因?yàn)樗鎯?chǔ)每一個(gè)發(fā)音片段的原始音頻數(shù)據(jù)，像存儲(chǔ)一段較長的產(chǎn)品介紹語音，會(huì)占用大量芯片內(nèi)部存儲(chǔ)空間，這不僅增加芯片成本，還限制了可存儲(chǔ)語音內(nèi)容的長度。而TTS語音合成芯片存儲(chǔ)的是語音合成規(guī)則和少量基礎(chǔ)音庫數(shù)據(jù)，就像存儲(chǔ)了音符和作曲規(guī)則而非整首歌曲。通過這些規(guī)則和少量數(shù)據(jù)，能合成海量文本對應(yīng)的語音，大大減少了存儲(chǔ)需求，為產(chǎn)品節(jié)省成本，也讓設(shè)備能承載更豐富的語音交互功能。

(三)語音自然度

傳統(tǒng)播報(bào)芯片語音多為預(yù)先錄制拼接，語音連貫性和自然度欠佳，像機(jī)械生硬地朗讀，在長句子中停頓、語調(diào)等不自然，易讓用戶感到枯燥。TTS 語音合成芯片借助先進(jìn)算法，不斷優(yōu)化語音韻律、語調(diào)、停頓等元素，合成語音越來越接近真人發(fā)聲，讓用戶在語音交互中更舒適自然。比如在有聲讀物設(shè)備中，TTS 語音合成芯片能將文字內(nèi)容以接近播音員的自然度朗讀出來，提升用戶聽覺體驗(yàn)。

二、TTS 語音合成芯片的接口與技術(shù)路線

(一)常見接口類型

UART接口：這是 TTS 語音合成芯片常用接口，像一根雙向車道，數(shù)據(jù)能在主控芯片與 TTS 芯片間有序傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是硬件連接簡單，只需幾根線就能實(shí)現(xiàn)通信，在資源有限的小型設(shè)備中應(yīng)用廣泛。開發(fā)工程師在連接時(shí)，只需將主控芯片的 UART 發(fā)送引腳與 TTS 芯片的接收引腳相連，接收引腳與 TTS芯片的發(fā)送引腳相連，再配置好雙方通信波特率等參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。如在智能家居控制節(jié)點(diǎn)設(shè)備中，通過 UART 接口，主控芯片將控制指令對應(yīng)的文本信息發(fā)送給 TTS 芯片，TTS 芯片合成語音提示用戶操作結(jié)果。

SPI接口：SPI 接口如同高速專線，相比 UART，它的數(shù)據(jù)傳輸速度更快，適用于對數(shù)據(jù)傳輸速率要求高的場景。它采用同步串行通信方式，通過時(shí)鐘線(SCK)同步數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)通過主機(jī)輸出從機(jī)輸入(MOSI)線向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)通過主機(jī)輸入從機(jī)輸出(MISO)線向主機(jī)反饋數(shù)據(jù)。在智能音箱這類需要快速處理大量語音文本數(shù)據(jù)的設(shè)備中，SPI 接口能讓 TTS 芯片迅速接收主控芯片傳來的文本數(shù)據(jù)，及時(shí)合成語音播放，避免語音播放延遲。

I2C接口：I2C 接口是一種多主控總線，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備在同一總線上通信，像一個(gè)多車道的環(huán)形公路，各設(shè)備可有序交流。它只需兩根線，即串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時(shí)鐘線(SCL)。TTS 語音合成芯片通過 I2C 接口能方便地與其他芯片共享總線資源，在一些對電路板空間要求苛刻的設(shè)備中優(yōu)勢明顯。如在可穿戴健康設(shè)備中，TTS 語音合成芯片與其他傳感器芯片都連接在 I2C 總線上，共同為用戶提供語音健康提示等功能。

(二)技術(shù)路線

基于拼接的語音合成技術(shù)：這種技術(shù)就像搭積木，將預(yù)先錄制好的語音片段按照文本內(nèi)容需求拼接起來。開發(fā)工程師需先建立一個(gè)高質(zhì)量的語音片段庫，涵蓋各種音素、音節(jié)、單詞等。合成語音時(shí)，從庫中選取合適片段拼接。它的優(yōu)點(diǎn)是合成語音質(zhì)量在一定程度上有保障，因?yàn)槭褂玫氖钦鎸?shí)錄制語音片段。但缺點(diǎn)也明顯，音庫需占用大量存儲(chǔ)空間，且在拼接處可能出現(xiàn)不自然過渡，尤其是在處理復(fù)雜語調(diào)、韻律時(shí)。在一些對語音質(zhì)量要求不特別高、存儲(chǔ)空間相對充裕的兒童語音玩具中，這種技術(shù)有一定應(yīng)用。

參數(shù)化語音合成技術(shù)：此技術(shù)如同通過樂譜演奏音樂，通過分析語音信號(hào)，提取如基頻、共振峰等參數(shù)來描述語音特征。然后根據(jù)文本信息，利用這些參數(shù)生成語音。開發(fā)工程師在使用時(shí)，需訓(xùn)練模型來準(zhǔn)確預(yù)測這些參數(shù)，以生成自然語音。它的優(yōu)勢是存儲(chǔ)需求小，因?yàn)橹恍璐鎯?chǔ)參數(shù)模型，而非大量語音片段。但合成語音質(zhì)量在早期受限于模型精度，可能出現(xiàn)語音清晰度、自然度不足問題。隨著技術(shù)發(fā)展，尤其是結(jié)合深度學(xué)習(xí)后，語音質(zhì)量有很大提升，在車載導(dǎo)航語音提示等場景應(yīng)用廣泛。

基于深度學(xué)習(xí)的語音合成技術(shù)：這是當(dāng)下前沿技術(shù)，類似讓機(jī)器通過大量學(xué)習(xí)成為語言專家。深度學(xué)習(xí)模型如循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)、長短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)等，通過對海量語音數(shù)據(jù)和文本數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，能理解語音與文本間復(fù)雜關(guān)系。開發(fā)工程師訓(xùn)練這些模型時(shí)，模型會(huì)自動(dòng)學(xué)習(xí)語音韻律、語調(diào)、發(fā)音等規(guī)律，合成語音自然度和清晰度大幅提升，接近真人水平。在智能語音助手、有聲閱讀 APP 等對語音質(zhì)量要求極高的應(yīng)用中，基于深度學(xué)習(xí)的 TTS 語音合成芯片成為主流選擇。

三、TTS 語音合成芯片的功耗表現(xiàn)

(一)工作模式功耗

在正常工作狀態(tài)下，TTS 語音合成芯片的功耗因芯片型號(hào)、采用技術(shù)和工作頻率等不同而有差異。一般來說，基于傳統(tǒng)技術(shù)的芯片功耗相對較高，而采用先進(jìn)制程工藝和低功耗設(shè)計(jì)的芯片功耗較低。以WT3000A采用40nm制程工藝的 TTS 語音合成芯片為例，在全速率工作時(shí)，其功耗約為0.11A。這意味著在一些對續(xù)航要求高的便攜式設(shè)備中，如果長時(shí)間使用語音合成功能，可能會(huì)較快消耗電池電量。但隨著技術(shù)進(jìn)步，許多芯片廠商致力于降低功耗。如一些新型芯片通過優(yōu)化內(nèi)部電路設(shè)計(jì)，采用動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS)技術(shù)，在芯片負(fù)載較低時(shí)，自動(dòng)降低工作電壓和頻率，從而降低功耗。

(二)睡眠模式功耗

為滿足設(shè)備長時(shí)間待機(jī)需求，TTS語音合成芯片普遍具備睡眠模式，此時(shí)功耗極低。例如，WT3000A芯片在睡眠模式下功耗可低至2μA，幾乎可忽略不計(jì)。在智能門鎖這類平時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，只有在特定事件觸發(fā)時(shí)才進(jìn)行語音提示的設(shè)備中，睡眠模式功耗低的TTS語音合成芯片能保證設(shè)備長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，且不會(huì)過多消耗電池電量。開發(fā)工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，合理利用芯片睡眠模式，可有效平衡產(chǎn)品功能與功耗，提升產(chǎn)品整體性能。

四、用戶使用體驗(yàn)提升

(一)多語言支持

TTS 語音合成芯片能輕松實(shí)現(xiàn)多語言合成，讓全球用戶都能順暢交互。在跨國企業(yè)客服系統(tǒng)中，不同地區(qū)客戶來電，設(shè)備通過 TTS 芯片能迅速切換對應(yīng)語言合成語音回復(fù)，打破語言障礙，提升客戶滿意度。這是傳統(tǒng)播報(bào)芯片難以企及的，傳統(tǒng)播報(bào)芯片要實(shí)現(xiàn)多語言，需為每種語言單獨(dú)燒錄芯片，成本高且不靈活。

(二)個(gè)性化語音定制

現(xiàn)在TTS語音合成芯片支持個(gè)性化語音定制。用戶可根據(jù)喜好，調(diào)整語音音色、語速、語調(diào)等。在智能車載系統(tǒng)中，用戶能將導(dǎo)航語音設(shè)置成溫柔女聲、沉穩(wěn)男聲或自己喜歡的明星音色，讓駕駛過程更愉悅。傳統(tǒng)播報(bào)芯片語音固定，無法滿足用戶個(gè)性化需求。

(三)實(shí)時(shí)交互反饋

在智能交互場景中，TTS語音合成芯片能實(shí)時(shí)根據(jù)用戶操作或問題合成語音反饋。在智能家電設(shè)備中，用戶下達(dá)調(diào)節(jié)溫度指令，設(shè)備通過TTS芯片立刻語音回復(fù)操作結(jié)果，讓用戶及時(shí)知曉設(shè)備狀態(tài)。傳統(tǒng)播報(bào)芯片受限于內(nèi)容固定，很難做到實(shí)時(shí)交互反饋，在如今追求即時(shí)響應(yīng)的智能生活中，TTS語音合成芯片優(yōu)勢盡顯。

五、市場需求分析

(一)智能語音交互設(shè)備興起

隨著智能家居、智能音箱、智能車載等設(shè)備普及，市場對TTS語音合成芯片需求猛增。智能家居系統(tǒng)中，用戶通過語音控制家電，TTS芯片負(fù)責(zé)語音反饋;智能音箱靠TTS芯片實(shí)現(xiàn)有聲內(nèi)容朗讀和人機(jī)對話;智能車載中，TTS芯片提供導(dǎo)航語音提示和娛樂內(nèi)容朗讀。據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，未來幾年智能語音交互設(shè)備市場規(guī)模將持續(xù)高速增長，帶動(dòng) TTS語音合成芯片市場需求水漲船高。

(二)無障礙輔助需求增長

在無障礙輔助領(lǐng)域，TTS語音合成芯片為視障、閱讀障礙人群帶來便利。視障人士通過搭載TTS芯片的設(shè)備，能將文字信息轉(zhuǎn)化為語音，實(shí)現(xiàn)閱讀書籍、操作手機(jī)等功能。隨著社會(huì)對無障礙環(huán)境建設(shè)重視度提高，相關(guān)產(chǎn)品需求不斷增加，為TTS語音合成芯片開拓了廣闊市場空間。

(三)教育與培訓(xùn)領(lǐng)域應(yīng)用拓展

在教育與培訓(xùn)領(lǐng)域，TTS語音合成芯片用于有聲教材、在線學(xué)習(xí)平臺(tái)、智能輔導(dǎo)設(shè)備等。有聲教材通過TTS芯片將課本內(nèi)容朗讀出來，幫助學(xué)生更好理解學(xué)習(xí);在線學(xué)習(xí)平臺(tái)利用 TTS 芯片實(shí)現(xiàn)智能語音答疑、課程講解;智能輔導(dǎo)設(shè)備通過 TTS芯片為學(xué)生提供實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)反饋。隨著教育信息化發(fā)展，這些應(yīng)用場景不斷拓展，對 TTS語音合成芯片需求持續(xù)攀升。

TTS語音合成芯片憑借諸多優(yōu)勢，在接口與技術(shù)路線上不斷創(chuàng)新，功耗逐漸降低，極大提升用戶體驗(yàn)，順應(yīng)市場多樣化需求。在開發(fā)工程師手中，它正成為構(gòu)建智能語音交互世界的有力工具，未來發(fā)展前景廣闊，將持續(xù)為各行業(yè)帶來新變革。

審核編輯 黃宇