基于迷你陣列麥克風(fēng)技術(shù)的手持通信產(chǎn)品設計

手持產(chǎn)品結構的空間限制越來(lái)越多，揚聲器越來(lái)越小，要求的聲音越來(lái)越大，抑制各種各樣的噪聲和回聲（視頻免提通話(huà)時(shí)的線(xiàn)性、非線(xiàn)性回聲），在噪聲環(huán)境下實(shí)現清晰的語(yǔ)音通信，是一個(gè)面臨解決的問(wèn)題。

美國富迪科技（ForteMedia）公司推出的FM2010芯片是基于迷你陣列麥克風(fēng)（SAM）專(zhuān)利技術(shù)的，采用空間濾波技術(shù)、遠/近距離定向拾取聲音信號、抑制聲學(xué)噪聲、消除聲學(xué)回聲的低功耗低成本的單芯片。本文將介紹迷你陣列麥克風(fēng)技術(shù)在手持通信產(chǎn)品中的設計要點(diǎn)、FM2010芯片主要功能，及其在GSM手機中的典型應用。圖1是手持模式的抗噪聲示意圖；圖2是免提模式的抗噪聲示意圖。

圖1 SAM手持模式的抗噪聲示意圖

圖2 SAM免提模式的抗噪聲示意圖

迷你陣列麥克風(fēng)技術(shù)設計要點(diǎn)

SAM技術(shù)可以采用Uni-MIC（主麥克風(fēng)）和Omni-MIC（參考麥克風(fēng)）兩個(gè)麥克風(fēng)組成迷你陣列麥克風(fēng)，采用背對背擺放或者邊對邊擺放，如圖3所示。利用兩種麥克風(fēng)物理特性的差異，通過(guò)FM2010芯片處理以后，形成錐形的拾音束，形成空間的濾波器，用以抑制非穩態(tài)噪聲。麥克風(fēng)的特性、結構設計和FM2010的參數調整決定了錐形拾音束的方向、角度和抑制非穩態(tài)噪聲的效果。

圖3 麥克風(fēng)的擺放

1 麥克風(fēng)的選擇

建議使用4mm的Uni、Omni麥克風(fēng)。Uni-MIC的靈敏度為-40dB 3dB；頻譜在300Hz跌落小于8.5dB，3.4kHz提升小于3.5dB；指向性為心形，方向性0和90靈敏度差別大于4dB，0和180靈敏度差別大于10dB。Omni-MIC的靈敏度為-40dB1.5dB；頻譜在300Hz～3.4kHz平坦。推薦使用山東濰坊怡力達（IEA）的Uni麥克風(fēng)B4015UL403和Omni麥克風(fēng)B4015AL-398。

2 結構設計

結構設計的關(guān)鍵問(wèn)題在于Uni麥克風(fēng)的特性保持、錐形拾音束的方向，如果有免提通話(huà)功能，還需要更多考慮喇叭、麥克風(fēng)減振和麥克風(fēng)氣密性問(wèn)題。錐形的拾音束的方向決定了抑制非穩態(tài)噪聲的方向，所以應該保證有用信號在拾音束內，否則會(huì )被當作噪聲而被抑制。因此在產(chǎn)品外形設計時(shí)，應該充分考慮Uni麥克風(fēng)的方向。結構設計應該保證Uni麥克風(fēng)在裝入麥克風(fēng)套筒和整個(gè)機殼以后，0和180靈敏度差別大于6dB，靈敏度和頻率特性基本不變。麥克風(fēng)減振可以減小非線(xiàn)性回聲，氣密性可以減小線(xiàn)性回聲，提高系統的信號回聲比。

3 經(jīng)過(guò)FM2010處理后的信號

迷你陣列麥克風(fēng)拾取的信號和經(jīng)過(guò)FM2010處理以后輸出的信號比較如圖4所示。聲源距離迷你陣列麥克風(fēng)0.3m，聲強為83dB（SPL）。測試信號分別為Uni麥克風(fēng)0和180、Omni麥克風(fēng)0和180、線(xiàn)路輸出（Lout）迷你陣列麥克風(fēng)0和180拾取的信號經(jīng)過(guò)FM2010處理以后輸出的信號。從圖4中可以看出，同樣大小的信號，在拾音束內（0）和拾音束外（180）最終輸出的信號可以相差20dB。也就是說(shuō)，只要非穩態(tài)噪聲在拾音束外，相對于有用信號，將被抑制20dB。錐形的拾音束有效作用范圍為2m。SAM錐形的拾音束的角度取決于Uni麥克風(fēng)的指向特性和FM2010的參數調整，圖5為實(shí)際測試SAM的錐形的拾音束方向圖。

圖4 SAM的錐形拾音束抑制噪聲效果

圖5 SAM的錐形拾音束方向圖聲效果

FM2010在GSM手機中的應用

FM2010采用低功耗小尺寸設計，功耗不到25mW，片內集成DSP、CODEC、ROM和RAM，適合移動(dòng)手持設備應用。

以TI的手機平臺為例，如圖6所示，FM2010和模擬基帶處理器主要接口有4個(gè)：RECEIVER回聲消除的參考信號（HS REF）、免提喇叭回聲消除的參考信號（HF REF）、陣列麥克風(fēng)電源及控制（MIC PWR）、陣列麥克風(fēng)信號經(jīng)FM2010處理后的輸出信號（LOUT）。FM2010和數字基帶處理器主要接口有6個(gè)：時(shí)鐘信號（13MHz）、SHI接口選擇控制（SHI_S）、SHI接口（SHI）、直通模式選擇控制（IRQ_ANA）、復位控制（RESET）和省電控制（PWD）。

圖6 FM2010在TI手機平臺的應用框圖

Uni麥克風(fēng)和Omni麥克風(fēng)拾取的信號經(jīng)可編程增益放大器放大、模數轉換和高通濾波后送語(yǔ)音處理器處理（線(xiàn)性回聲消除、非線(xiàn)性回聲消除、VAD檢測、噪聲抑制處理麥克風(fēng)音量設定），輸出的語(yǔ)音數據經(jīng)數模轉換后將麥克風(fēng)信號從線(xiàn)路輸出端單端輸出送到TWL3014/16模擬基帶處理器麥克風(fēng)輸入端（MICIP/MIC1N），經(jīng)過(guò)上行鏈路處理送數字基帶處理器OMAP733/750處理。GSM手機接收到信號經(jīng)解調以后，經(jīng)過(guò)信號數字基帶處理器OMAP733/750信道解碼，機密處理以后得到數字音頻信號送TWL3014/16模擬基帶處理器，經(jīng)過(guò)下行鏈路處理從受話(huà)器（HSO）和耳機（EARP/EARN）輸出，一路送受話(huà)器，一路送外部功放放大，驅動(dòng)免提喇叭，同時(shí)兩路信號分別送FM2010的線(xiàn)路輸入端輸入，模數轉換和高通濾波轉換成語(yǔ)音數據，送語(yǔ)音處理器處理作為回聲參考信號。典型應用如圖7所示。

圖7 FM2010典型應用原理圖

FM2010在GSM手機中的工作模式可以根據需要來(lái)設置，主要有測試模式、手持消噪模式、免提會(huì )議模式、免提個(gè)人專(zhuān)用模式。測試模式主要用于手機音頻測試（Acoustics），此時(shí)設置FM2010進(jìn)入到直通模式（IRQ_ANA），FM2010只將Uni麥克風(fēng)信號放大，不做其他任何處理，從線(xiàn)路輸出引腳輸出；手持消噪模式FM2010工作在Uni和Omni麥克風(fēng)兩個(gè)麥克風(fēng)SAM模式，用來(lái)消除通話(huà)環(huán)境下的穩態(tài)和非穩態(tài)噪聲；免提會(huì )議模式用在小型多人會(huì )議模式，此時(shí)FM2010工作在麥克風(fēng)反轉模式，FM2010放大處理Omni麥克風(fēng)的信號，消除通話(huà)環(huán)境下的穩態(tài)回聲，從線(xiàn)路輸出引腳輸出，麥克風(fēng)可以拾取全方向的信號；免提個(gè)人用模式可以針對一個(gè)人使用的會(huì )議場(chǎng)合或視頻通話(huà)。

OMAP733/750對FM2010的控制流程：通過(guò)SHI接口、PWD、RESET、ANA_IRQ控制引腳實(shí)現對FM2010的操作。整機上電以后，首先將PWD置高，ANA_IRQ置低，復位以后，送參數給FM2010，主要是時(shí)鐘源、時(shí)鐘頻率、DSP工作速率，然后將芯片進(jìn)入到省電模式。如圖8所示，通話(huà)模式是根據是否有電話(huà)打入、打出或是錄音操作，喚醒FM2010，復位后根據手持/免提模式，送FM2010相應模式參數。對于手持消噪模式，需要送麥克風(fēng)數量、麥克風(fēng)增益、麥克風(fēng)音量、消回聲參數和VAD參數。對于免提會(huì )議模式、需要送麥克風(fēng)數量、麥克風(fēng)增益、麥克風(fēng)音量、麥克風(fēng)反轉、消回聲參數（主要包含對方小聲講話(huà)、正常講話(huà)、大聲講話(huà)時(shí)）。免提個(gè)人專(zhuān)用模式調試方法基本同手持消噪模式，回聲消除參數需要更多調整。通話(huà)結束后，關(guān)閉FM2010的CODEC，將 FM2010設置到省電模式。如圖9所示，GSM手機音頻測試模式主要用于手機測試目的。進(jìn)入測試模式以后，FM2010工作在直通模式，此時(shí)內部DSP對麥克風(fēng)輸入信號不進(jìn)行任何處理，Uni麥克風(fēng)輸入信號經(jīng)過(guò)可編程增益放大器放大后，直接從LOUT放大器輸出，可以通過(guò)SHI接口在線(xiàn)麥克風(fēng)放大器和LOUT放大器增益參數。

圖8 通話(huà)模式控制流程

圖9 測試模式控制流程

FM2010 SHI接口控制時(shí)序：SHI接口工作在從模式，由外部提供時(shí)鐘信號，最大時(shí)鐘頻率400kHz，在對FM2010進(jìn)行模式和參數設置時(shí)，首先是發(fā)一個(gè)傳送開(kāi)始狀態(tài)，接著(zhù)送1字節SHI設備地址 C0，2字節同步字 FCF3，然后是控制命令字 3B，2字節參數地址，2字節參數數據, 重復然后是控制命令字 3B，2字節參數地址，2字節參數數據，最后啟動(dòng)命令控制命令字 3B，2字節參數地址1E 3A，2字節參數數據00 00結束，讓FM2010正常運行。