邁進(jìn)數字拾音時(shí)代――數字麥克風(fēng)和陣列拾音技術(shù)的應用

脈沖密度調制(PDM)信號和數字麥克風(fēng)接口：
模擬信號轉換成PCM信號，根據奈奎斯特準則，通常必須用大于2倍的固定采樣頻率對模擬信號采樣。模數裝換，每個(gè)采樣點(diǎn)可以用多位比特的數據表示。比特數越多，采樣精度越高，失真越小，但是電路會(huì )復雜，成本很高，不適合低成本數字麥克風(fēng)應用。如圖3b，數字麥克風(fēng)通常是采用1位δ-Σ模數轉換器，對模擬信號進(jìn)行過(guò)采樣（只能用于帶寬有限的信號，不適合寬頻信號，例如視頻信號），采樣率由外部時(shí)鐘提供。過(guò)采樣可使量化噪聲遠離被采樣的音頻信號。離信號主頻fs越近,噪聲幅度越小。同時(shí)對抗混疊濾波器的要求大大降低，可以到達很高的精度。

圖3 PDM信號

數字麥克風(fēng)通常由5個(gè)引腳，分別是電源（VDD），地（GND），時(shí)鐘（CLK），數據（DAT）和通道選擇（L/R）。數字麥克風(fēng)接口芯片需要提供麥克風(fēng)電源（需要和系統電平匹配）和外部時(shí)鐘信號(1.024～3.074MHz)，數字麥克風(fēng)在獲取時(shí)鐘信號后，從省電狀態(tài)轉到正常工作狀態(tài)。拾取聲音信號過(guò)采樣轉換成脈沖密度調制（PDM）的數據流（信號幅度變化越劇烈，脈沖密度越密）送給處理芯片，芯片內部的抽取濾波器（Decimator）下采樣（Down sample）并低通濾波，將高頻低位流的信號轉換成低頻高位流的PCM信號，同時(shí)濾除量化噪聲。PDM接口可以?huà)旖觾蓚€(gè)數字麥克，共享時(shí)鐘和數據線(xiàn)，通過(guò)通道選擇（L/R）選擇時(shí)鐘高和低時(shí)是哪個(gè)通道的麥克風(fēng)。圖4為數字麥克風(fēng)的輸出信號。在時(shí)鐘為高時(shí)，L/R=0的麥克風(fēng)（MIC0）數據線(xiàn)保持高阻狀態(tài)，傳輸L/R=1的麥克風(fēng)（MIC1）的數據；在時(shí)鐘為低時(shí)，L/R=1的麥克風(fēng)（MIC1）數據線(xiàn)保持高阻狀態(tài)，傳輸L/R=0的麥克風(fēng)（MIC0）的數據。

圖4 數字麥克風(fēng)的輸出信號

數字麥克風(fēng)陣列在手機平臺的應用
2個(gè)數字麥克風(fēng)使用同一組電源，電源電壓同語(yǔ)音處理芯片FM34-395（見(jiàn)圖5）。數字麥克風(fēng)陣列通過(guò)L/R引腳配置成成主麥克風(fēng)（L/R接地）和參考麥克風(fēng)（L/R接電源），拾取的近端信號經(jīng)過(guò)數字麥克風(fēng)放大并轉換成PDM信號連接到語(yǔ)音處理芯片FM34-395芯片。兩路麥克風(fēng)信號經(jīng)過(guò)下采樣裝換成16位的PCM信號，放大濾波以后進(jìn)行相關(guān)處理。

圖5 數字麥克風(fēng)陣列在MTK手機平臺典型應用

手持模式下，根據數字麥克風(fēng)陣列拾取的近端信號差異，對近端語(yǔ)音做穩態(tài)和非穩態(tài)噪聲抑制和線(xiàn)性回聲消除處理, 處理完成的信號經(jīng)過(guò)PCM引腳（TxDp）送到基帶芯片（PCM IN引腳）作為上行信號，送并產(chǎn)生側音送到受話(huà)器(Receiver)。下行信號通過(guò)基帶芯片（PCM OUT引腳）送到FM34-395的輸入引腳（RxDc），經(jīng)過(guò)噪聲抑制，并根據數字麥克風(fēng)陣列提供的噪聲信息判斷是否啟動(dòng)清晰語(yǔ)音引擎來(lái)亮化受話(huà)器(Receiver)的聲音，使用戶(hù)在噪聲環(huán)境下依然可以聽(tīng)得清，同時(shí)作為回聲消除的參考信號。

免提模式下，根據麥克風(fēng)陣列拾取的回聲信號差異，對夾雜聲學(xué)回聲的近端語(yǔ)音進(jìn)行消除處理, 處理完的語(yǔ)音做穩態(tài)噪聲抑制處理，輸出信號經(jīng)過(guò)PCM引腳（TxDp）送到基帶芯片（PCM IN引腳）作為上行信號。下行信號通過(guò)基帶芯片（PCM OUT引腳）送到FM34-395的輸入引腳（RxDc），經(jīng)過(guò)噪聲抑制，并根據數字麥克風(fēng)陣列提供的噪聲信息判斷是否啟動(dòng)清晰語(yǔ)音引擎來(lái)亮化受話(huà)器(Receiver)的聲音，使用戶(hù)在噪聲環(huán)境下依然可以聽(tīng)得清，同時(shí)作為回聲消除的參考信號。

數字麥克風(fēng)陣列的擺放：主麥克風(fēng)擺在手機正面下方或下側面，就是盡量靠近使用者嘴部，參考麥克風(fēng)擺在手機背面上方或上側面，即是靠近使用者的耳朵，這樣在手持模式下近端語(yǔ)音數字麥克風(fēng)陣列的兩個(gè)麥克風(fēng)拾取的信號有足夠的差別，而較遠的噪聲沒(méi)有差別，利用數字語(yǔ)音處理器FM34-395處理，就可以實(shí)現定向定距離拾音，抑制各種環(huán)境噪聲。

數字麥克風(fēng)陣列在筆記本電腦中的應用
圖6為數字麥克風(fēng)陣列在筆記本電腦的典型應用。通常數字麥克風(fēng)陣列和攝像頭模組一起，安裝在筆記本電腦顯示屏上方中央，這樣使用者在視頻聊天或通話(huà)時(shí)，聲源位于數字麥克風(fēng)陣列拾音束內，可以傳送出去，而兩旁的噪聲位于拾音束外被抑制，實(shí)現清晰語(yǔ)音通信。陣列中的數字麥克風(fēng)，可以按10.5mm擺放作為小型數字麥克風(fēng)陣列，也可以采用距離70～210mm的寬陣列，根據麥克風(fēng)擺放配置相應的軟件。

圖6 數字麥克風(fēng)陣列在筆記本電腦的典型應用

數字麥克風(fēng)拾取轉換成PDM格式的信號通過(guò)線(xiàn)纜連接到筆記本電腦的高清音頻編解碼器（HD Audio Codec）聲卡的數字麥克風(fēng)接口，下采樣轉換成兩路音頻信號，送到位于高清音頻編解碼器驅動(dòng)層的小型麥克風(fēng)陣列處理軟件（SAMSoft）處理，實(shí)現噪聲抑制（Noise Suppression），回聲消除（Acoustic Echo Cancellation），遠距離拾音（Far Field Pick Up）敲擊鍵盤(pán)噪聲抑制等功能。