Brevet FR3113761A1 — publié le 20220304

Module d’acquisition et de restitution audio intégré sous forme de composant électronique L’invention concerne un module d’acquisition et de restitution audio, réalisé sous forme de composant électronique comportant une interface numérique (12) à bus universel série pour signaux audio, dite interface USB audio. Le module (10) comprend en outre une pluralité d’unités configurables à l’aide d’un lien de contrôle accessible par ladite interface USB audio, comprenant : - une unité de calcul programmable (18) comportant au moins un processeur configuré pour mettre en œuvre une pluralité de traitements audio (20, 22, 24, 26, 28), - au moins une unité de conversion analogique/numérique (30, 32) permettant l’acquisition et la restitution de signaux audio analogiques, - au moins une interface analogique (34) reconfigurable, permettant de réaliser des connexions avec au moins un périphérique audio analogique (36), - au moins une interface numérique (42, 43) reconfigurable permettant de réaliser des connexions avec au moins un périphérique audio numérique (44). Figure pour l'abrégé : Figure 1 Module d’acquisition et de restitution audio intégré sous forme de composant électronique La présente invention concerne un module d’acquisition et de restitution audio intégré sous forme de composant électronique, et un dispositif ayant des capacités d’acquisition et de restitution audio intégrant un tel module. L’invention se situe dans le domaine du traitement audio, et trouve des applications dans divers équipements qui intègrent des traitements audio. Il est d’usage, lors du développement de produits spécifiques, dans le domaine civil ou militaire, intégrant des fonctions audio, de développer des modules matériels et/ou logiciels dédiés, avec des capacités de traitement audio, directement intégrés dans le produit. Cependant, ce développement prend du temps, et de plus, le développement de modules ayant des capacités de traitement audio nécessite des compétences techniques dans plusieurs domaines, en particulier dans le domaine matériel (« hardware »), le domaine logiciel (« software ») et dans le domaine du traitement du signal, ce qui rend un tel développement coûteux. Ainsi, la conception de modules de traitement audio dédiés pour chaque développement de produit, avec des fonctionnalités de traitement audio spécifiques, est fastidieuse et coûteuse. L’invention a pour objet de remédier aux inconvénients de l’état de la technique. A cet effet, l’invention propose, selon un aspect, un module d’acquisition et de restitution audio réalisé sous forme de composant électronique comportant une interface numérique à bus universel série pour signaux audio, dite interface USB audio, le module comprenant en outre une pluralité d’unités configurables à l’aide d’un lien de contrôle accessible par ladite interface USB audio, comprenant : - une unité de calcul programmable comportant au moins un processeur configuré pour mettre en œuvre une pluralité de traitements audio, - au moins une unité de conversion analogique/numérique permettant l’acquisition et la restitution de signaux audio analogiques, - au moins une interface analogique reconfigurable, permettant de réaliser des connexions avec au moins un périphérique audio analogique, - au moins une interface numérique reconfigurable permettant de réaliser des connexions avec au moins un périphérique audio numérique. Avantageusement, le module d’acquisition et de restitution audio intégré sous forme de composant électronique proposé est compact, reconfigurable, permet la communication avec des périphériques audio analogiques et numériques, et permet la réalisation de divers traitements audio. Ce module d’acquisition et de traitement audio est un module de traitement audio générique, intégrable dans tout produit nécessitant des capacités de traitement audio spécifique. Le module d’acquisition et de restitution audio selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou selon toutes les combinaisons techniquement envisageables. L’unité de calcul programmable est configurée pour mettre en œuvre une pluralité de traitements audio comprenant au moins deux traitement parmi les traitements de contrôle de volume, de mixage de voies audio, de réduction de bruit active, de reconnaissance vocale, de compression/décompression audio. Chaque traitement est réalisé sous forme de code de programme exécutable, ledit code de programme étant modifiable. L’interface USB audio et ladite unité de calcul sont intégrées dans un composant microcontrôleur ou microprocesseur ou réalisé sous forme de système sur puce. Le module comporte en outre un composant codeur/décodeur intégrant des chaînes de conversion analogique/numérique et de conversion numérique/analogique configurables, contrôlé par ledit composant microcontrôleur ou microprocesseur ou réalisé sous forme de système sur puce. Le module comporte en outre au moins une interface d’entrée analogique et au moins une interface de sortie analogique. Le module comporte en outre des étages de régulation d’alimentation électrique. Il est réalisé sous forme de composants agencés sur une carte d’une manière compacte, en minimisant des surfaces non occupées sur ladite carte. Il est réalisé par une technologie de système sur module. Selon un autre aspect, l’invention concerne un dispositif ayant des capacités d’acquisition et de restitution audio comportant un processeur hôte et au moins un module d’acquisition et de restitution audio tel que brièvement décrit ci-dessus, connectés via un bus de communication universel en série, dit bus de communication USB. Selon un aspect particulier, ce dispositif comporte au moins deux tels modules d’acquisition et de restitution audio, et un module d’interconnexion selon la norme USB, lesdits modules d’acquisition et de restitution audio étant connectés au processeur hôte via ledit module d’interconnexion. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : la est un synoptique fonctionnel d’un module d’acquisition et de restitution audio selon un mode de réalisation de l’invention ; la illustre schématiquement un exemple d’implantation matérielle d’un module d’acquisition et de restitution audio selon un mode de réalisation de l’invention ; la est un synoptique d’un dispositif ayant des capacités d’acquisition et de restitution audio selon un premier mode de réalisation de l’invention ; la est un synoptique d’un dispositif ayant des capacités d’acquisition et de restitution audio selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. La est un synoptique des principales unités fonctionnelles d’un module d’acquisition et de restitution audio 10, appelé ci-après module audio 10, selon un mode de réalisation. Le module audio 10 comporte une interface numérique 12 à bus universel série pour signaux audio, appelée interface USB audio 12. La norme de communication à bus universel série ou norme USB est bien connue dans le domaine de l’informatique, qui sert à connecter des périphériques informatiques à un ordinateur ou à tout type d'appareil prévu à cet effet. Plusieurs versions de cette norme de communication USB ont été mises au point. De préférence, l’interface USB audio 12 met en œuvre la norme « Audio USB CLASS » , définie pour permettre d’interfacer des sorties audio numériques d’appareils (ordinateurs, smartphones, tablettes etc) avec des périphériques tels des microphones, des hauts-parleurs ou des tables de mixage. Grâce à la présence de l’interface USB audio 12, le module audio 10 devient un dispositif USB (« USB device » en anglais), en d’autres termes un dispositif qui a des capacités de communication selon la norme USB. L’interface audio USB 12 est connectable à tout autre dispositif 14 ayant des capacités de communication USB via un lien de communication 16. Le module audio 10 comporte en outre une unité de calcul programmable 18 comportant au moins un processeur configuré pour mettre en œuvre une pluralité de traitements audio. Par exemple, l’unité de calcul programmable 18 comporte un processeur de signal numérique (ou DSP pour « Digital Signal Processor »). Par exemple, l’unité de calcul programmable 18 est configurée pour exécuter : - un traitement 20 de contrôle de volume audio, - un traitement 22 de mixage de voies audio, - un traitement 24 de réduction de bruit active, - un traitement 26 de reconnaissance vocale, par exemple par intelligence artificielle, - un traitement 28 de compression/décompression audio. La liste de traitements ci-dessus n’est pas limitative. De préférence, chaque traitement est réalisé par un module numérique de traitement, sous forme d’instructions de code de programme, exécutable par le ou les processeurs de l’unité de calcul programmable 18. Avantageusement, il est possible de reprogrammer ces modules numériques de traitement, par exemple en remplaçant un module numérique de traitement par un autre module de même fonctionnalité, mais ayant des performances augmentées, ou de rajouter un ou plusieurs nouveau(x) module(s) numérique(s) de traitement permettant de réaliser de nouvelles fonctionnalités de traitement audio, et ce en toute transparence pour le dispositif 14. Le module audio 10 comporte en outre une unité 30 de conversion analogique/numérique, adaptée pour convertir des signaux audio analogiques acquis en signaux numériques, à traiter par l’un des modules numériques de traitement de l’unité de calcul programmable 18. Les signaux audio analogiques sont fournis en entrée par un ou plusieurs périphériques audio analogiques 36, par exemple un microphone 38. Le module audio 10 comporte en outre une unité 32 de conversion numérique/analogique, adaptée pour convertir des signaux audio numériques traités par l’un des modules numériques de traitement de l’unité de calcul programmable 18 en signaux audio analogiques à restituer via une interface analogique 34 reconfigurable, à des périphériques audio analogiques 36, par exemple à un haut-parleur analogique 40. Le nombre de périphériques audio analogiques connectables simultanément au module audio 10 via l’interface analogique 34 reconfigurable dépend du nombre effectif d’entrées/sorties de l’interface analogique 34. Par exemple, l’interface analogique 34 comprend des chaînes matérielles (ou « hardware ») qui peuvent également être pilotées et reconfigurées via l’interface USB audio 12 afin de modifier les signaux au niveau électrique. Par exemple, la reconfiguration de ces chaines analogiques matérielles comprend des traitements de : - Activation/désactivation d’un filtre, - Réglage d’une valeur de gain, - Modification des chemins des signaux, mixage, rebouclage (en anglais « loopback »), contournement (en anglais « bypass »), - Activation/désactivation d’une polarisation micro, - Modification des valeurs d’impédances d’entrée, - Détection du branchement d’un accessoire, - Ouverture du circuit, fonction « mute » ou silence, - Détection d’un signal en entrée, - Détection d’une saturation du signal d’entrée. La liste de traitements ci-dessus n’est pas limitative. Le module audio 10 comporte en outre une interface numérique audio 42 reconfigurable permettant de réaliser des connexions avec au moins un périphérique audio numérique 44, par exemple un microphone numérique 46 ou un amplificateur 47. L’interface numérique audio 42 peut être modifiée dynamiquement depuis le dispositif 14 via l’interface USB audio 12, pour effectuer des reconfigurations comme par exemple : -Modification de la fréquence d’échantillonnage, -Modification de la résolution binaire, -Modification du type de modulation du signal numérique (PCM, PDM, PWM…), -Modification des chemins, reroutage, mixage. De plus, le module audio 10 comporte une interface numérique de contrôle 43 qui permet, grâce à ses entrées 48 et sorties 50, de recevoir et d’envoyer des commandes d’un processeur externe. Dans un mode de réalisation, les entrées/sorties 48, 50 véhiculent des signaux de type « signaux discrets », binaires, permettant de piloter des fonctions externes (50) ou bien de recevoir des informations de l’extérieur (48). Par exemple, l’entrée 48 peut être reliée à un bouton 49, tel qu’un bouton pour augmenter ou diminuer un volume dans 18 ou 34, et la sortie 50 peut être reliée à une LED 51 afin d’informer d’une saturation détectée par l’interface analogique 34 sur un signal provenant du microphone 38. Par exemple, les entrées/sorties 48, 50 peuvent également être lues ou pilotées par le dispositif 14 via l’interface USB audio 12. Les unités 12, 18, 30, 32, 34, 42 sont interconnectées via des liens de communication internes, typiquement des bus de communication. En particulier l’interface USB audio 12 est connectée à l’unité de calcul 18 via un lien de contrôle 52, qui est bidirectionnel, permettant de commander et de paramétrer des traitements effectués par l’unité de calcul 18, ainsi que via une lien bidirectionnel 53 dédié au transport des signaux audio. La illustre schématiquement une architecture matérielle d’un module d’acquisition et de restitution audio 10 selon un mode de réalisation. Le module audio 10 est réalisé sous forme d’une pluralité de composants 70 intégrés sur une carte électronique 55, e.g. une plaque de circuit imprimé, les composants étant agencés de manière à minimiser l’espace occupé tout en optimisant les conditions de fonctionnement, par exemple en évitant les perturbations électromagnétiques entre composants, afin d’éviter la dégradation de la qualité des signaux audio. L’agencement est effectué en particulier en fonction des dimensions de chaque composant. Les dimensions du module audio 10 sont aussi réduites que possible, par exemple, la carte électronique est un carré de côté D1=20mm, et l’agencement des composant rentre dans un carré de côté de dimension D2=18mm. Bien entendu ces dimensions sont données à titre illustratif et non limitatif. Le module audio 10 est réalisé sous forme de composant électronique, en d’autres termes il est miniaturisé, par exemple en utilisant la technologie « système sur module » SoM (pour « System on module ») ou la technologie SoC (« system on chip » ou « système sur puce » en français). Dans un mode de réalisation, les composants formant le module audio 10 sont des composants « sur étagère », disponibles dans le commerce. Dans l’exemple d’architecture matérielle de la , sont implantés sur la carte électronique deux chaînes analogiques 54, 56 de sorties distinctes (en anglais « Analog Out »), par exemple deux haut-parleurs, formant une interface d’entrée analogique et quatre chaînes analogiques 58, 60, 62, 64 d’entrées distinctes (en anglais « Analog In »), par exemple 4 microphones, formant une interface de sortie analogique. Ces chaînes analogiques 54, 56, 58, 60, 62, 64 forment une interface analogique 34. Le module audio 10 comporte en outre un composant microcontrôleur 66, qui intègre par exemple un processeur ARM cortex-M ®, et qui intègre également des fonctionnalités d’interface USB audio. Ce microcontrôleur comprend également des mémoires électroniques, par exemple mémoire Flash et/ou mémoire DRAM, pour mémoriser des codes de programmes, des données et des paramètres pour réaliser les modules numériques de traitement audio. Le microcontrôleur 66 implémente le module d’interface USB audio 12, les fonctionnalités de l’unité de calcul programmable 18 et de l’interface numérique audio 42. En variante, le composant 66 est un composant microprocesseur ou un composant SoC. Ce composant microcontrôleur 66 contrôle un multiplexeur 68 et un composant codeur/décodeur (ou CODEC) 72 intégrant des convertisseurs analogiques-numériques et des fonctions analogiques configurables. Le CODEC 72 réalise des fonctionnalités de conversion des unités 30 et 32 de la , ainsi que la fonctionnalité d’interface numérique de contrôle 43. Le module audio 10 comporte également des étages de régulation d’alimentation électrique 74, de type régulateur à découpage (DC/DC) et régulateur linéaires (LDO), utiles au bon fonctionnement de l’ensemble des autres composants du module. Embarquer ces régulateurs d’alimentation dans le module permet de limiter toutes perturbations des signaux et fonctions audio qui pourraient être apportées par le signal d’alimentation du module depuis le dispositif utilisant le module. Le module audio 10 décrit en référence à la a quatre entrées analogiques, deux sorties analogiques, et deux entrées numériques pouvant gérer chacune deux microphones numériques. Il s’agit bien entendu d’un choix conception (ou « design »), d’autres types de conception étant tout à fait envisageables, avec des nombres différents d’entrées/sorties analogiques, avec un ajout de sorties numériques et nombre choisi. Avantageusement, un module audio tel que décrit ci-dessus est réalisé par utilisation de la technologie « System on module ». Selon une variante, la technologie SiP (« System in Package ») est utilisée. Avantageusement, le module audio est intégré sous forme d’un composant électronique, c’est un dispositif compact, et comporte des ressources de calcul génériques programmables pour réaliser des traitements audio, tout en intégrant des fonctions de conversion analogiques/numériques et des interfaces analogiques et numériques reconfigurables. Le module audio ainsi réalisé est intégrable dans tout dispositif ayant des capacités d’acquisition et de restitution audio, par exemple sous forme de carte électronique ajoutée dans un tel dispositif, le module audio étant commandé par un processeur hôte. Par exemple, un dispositif 80 ayant des capacités d’acquisition et de restitution audio, comporte un module d’acquisition et de restitution audio 10, et un processeur hôte 82, intégrés sur une carte électronique 84. Le module d’acquisition et de restitution audio 10 et le processeur hôte 82 sont connectés via un bus de communication USB 86. Le module audio 10 comprend dans cet exemple une entrée et une sortie, par exemple des entrées/sorties analogiques. Un autre exemple de dispositif 90 ayant des capacités d’acquisition et de restitution audio est illustré à la . Dans cet exemple, le dispositif 90 comporte deux modules audio 10A, 10B et un processeur hôte 94 intégrés sur une carte électronique 96. Les modules audio 10A et 10B sont deux modules audio du type décrit ci-dessus, avec des nombres d’entrées/sorties différents. Les modules audio 10A, 10B sont connectés au processeur hôte 94 via un module d’interconnexion 92, qui met en œuvre une interconnexion selon la norme USB. Le module d’interconnexion 92 est par exemple un module sur étagère de type « hub USB », répondant à la norme USB, et adapté pour interconnecter des dispositifs implémentant la norme USB (ou « USB devices » en anglais). Dans un mode réalisation, le module d’acquisition et de restitution audio 10 est réalisé par disposition de ses composants sur une seule face d’un circuit imprimé, dite face supérieure. La face opposée, dite face inférieure, comprend des plages d’interconnexion pour connecter le module audio 10 sur la carte électronique 84 ou 96. Avantageusement, le module audio 10 peut être monté sur une carte électronique comme tout composant électronique de type LGA (pour « Land Grid Array ») ou BGA (pour « Ball Grid Array). Plus généralement, le module audio 10 est compatible avec toute architecture PGA (pour « Pin Grid Array »). Module d’acquisition et de restitution audio caractérisé en ce qu’il est réalisé sous forme de composant électronique comportant : - une interface numérique (12) à bus universel série pour signaux audio, dite interface USB audio, le module (10, 10A, 10B) comprenant en outre une pluralité d’unités configurables à l’aide d’un lien de contrôle accessible par ladite interface USB audio, comprenant : - une unité de calcul programmable (18) comportant au moins un processeur configuré pour mettre en œuvre une pluralité de traitements audio (20, 22, 24, 26, 28), - au moins une unité de conversion analogique/numérique (30, 32) permettant l’acquisition et la restitution de signaux audio analogiques, - au moins une interface analogique (34) reconfigurable, permettant de réaliser des connexions avec au moins un périphérique audio analogique (36), - au moins une interface numérique (42, 43) reconfigurable permettant de réaliser des connexions avec au moins un périphérique audio numérique (44). Module selon la revendication 1, dans lequel l’unité de calcul programmable (18) est configurée pour mettre en œuvre une pluralité de traitements audio comprenant au moins deux traitements parmi les traitements de contrôle de volume, de mixage de voies audio, de réduction de bruit active, de reconnaissance vocale, de compression/décompression audio. Module selon la revendication 2, dans lequel chaque traitement est réalisé sous forme de code de programme exécutable, ledit code de programme étant modifiable. Module selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel ladite interface USB audio (12) et ladite unité de calcul programmable (18) sont intégrées dans un composant (66) microcontrôleur ou microprocesseur ou réalisé sous forme de système sur puce. Module selon la revendication 4, comportant en outre un composant codeur/décodeur (72) intégrant des chaînes de conversion analogique/numérique et de conversion numérique/analogique configurables., contrôlé par ledit composant (66) microcontrôleur ou microprocesseur ou réalisé sous forme de système sur puce. Module selon l’une des revendications 4 ou 5, comportant en outre au moins une interface d’entrée analogique (58, 60, 62, 64) et au moins une interface de sortie analogique (54, 56). Module selon l’une des revendications 4 à 6, comportant en outre des étages de régulation d’alimentation électrique (74). Module selon l’une des revendications 1 à 7, réalisé sous forme de composants agencés sur une carte d’une manière compacte, en minimisant des surfaces non occupées sur ladite carte. Module selon l’une des revendications 1 à 8, réalisé par une technologie de système sur module. Dispositif ayant des capacités d’acquisition et de restitution audio, comportant un processeur hôte (82, 94) et au moins un module d’acquisition et de restitution audio (10, 10A, 10B) conforme aux revendications 1 à 9, connectés via un bus de communication universel en série, dit bus de communication USB. Dispositif selon la revendication 10, comportant au moins deux tels modules d’acquisition et de restitution audio, et un module d’interconnexion (92) selon la norme USB, lesdits modules d’acquisition et de restitution audio étant connectés au processeur hôte (94) via ledit module d’interconnexion.