采用MEMS麥克風(fēng)實(shí)現復雜環(huán)境下對特定語(yǔ)音的提取與放大

4.1. 硬件設計

本系統使用組合麥克風(fēng)得到語(yǔ)音信號^[9]。系統將使用6個(gè)背靠背的ADMP421并使用隔音效果比較好的墊片將它們隔離，這樣就可以構成簡(jiǎn)單的差動(dòng)結構，差動(dòng)輸出的信號就可以簡(jiǎn)單的消除來(lái)自不同方向的噪聲干擾。

4.2. 相位調制

由于聲音信號是有一個(gè)比較寬的頻率范圍，大致在300Hz-3400Hz^[10]，雖然ADMP421體積較小，但是它們收到的聲音信號相互之間還是存在著(zhù)相位差的。例如，兩個(gè)麥克風(fēng)之間相距0.5cm，由于聲音的傳播速度是340m/s（室溫下），那么其傳播時(shí)間相差即為14.7微秒，其相對應的頻率即為68K Hz。那么頻率為17K Hz的信號就會(huì )因為相差90°的相位，而不能由差分的信號消除。而在別的頻率的信號也會(huì )由于相位差的原因而出現不同的相減差別。在相位接近180°的情況下，甚至會(huì )出現噪聲增強的現象。

所以，在本系統中，首先要進(jìn)行距離匹配，使各路信號基本實(shí)現相位之間的匹配。下面給出兩個(gè)具體的方案：①采用頻域的分析方法，將語(yǔ)音信號解析，然后根據麥克風(fēng)之間的距離計算相位差，之后補償。②在數據流中加入數字濾波器，使濾波器的相頻相應恰恰可以補償相位差。前者較為精細，處理效果好，但是要耗費大量的系統資源；后者是較為通用的方案，雖然不能實(shí)現完全的匹配，但是效果還是可以接受的。

4.3用戶(hù)特色語(yǔ)音設定

由用戶(hù)預先在較為安靜的環(huán)境中進(jìn)行麥克風(fēng)測試。用戶(hù)對著(zhù)主麥克風(fēng)說(shuō)話(huà)，然后由內部的匹配算法，將各個(gè)方向的麥克風(fēng)的信號收集然后根據用戶(hù)的語(yǔ)音信息進(jìn)行合理的配置，盡量增大各個(gè)麥克風(fēng)的該用戶(hù)的語(yǔ)音特征音量輸出。

之后，在噪聲環(huán)境中，用戶(hù)可以選擇相應的配置，增大用戶(hù)的特征音量，減小環(huán)境噪聲。如果噪聲的頻率特性較用戶(hù)語(yǔ)音的差別較大，這種方法就比較有效。

4.4其他語(yǔ)音濾波算法的應用

隨著(zhù)DSP(數字信號處理)技術(shù)的發(fā)展和在各種應用中的深入，數字信號處理算法的研究是當前的一個(gè)熱點(diǎn)。其中自適應濾波算法以其卓越的自學(xué)習和自跟蹤性能在以上的產(chǎn)品中得到廣泛的應用，也是本文要研究的方向。自適應濾波的基本理論通過(guò)幾十年的發(fā)展己日趨成熟，近十幾年來(lái)自適應濾波器的研究主要針對算法與硬件實(shí)現。算法研究主要是對算法速度和精度的改進(jìn)，其方法大都采用軟件C、MATLAB等仿真軟件對算法的建模和修正^[11]。

自適應濾波算法有以下幾種常見(jiàn)的實(shí)現方式：RLS算法，SIGN一ERROE一LMS算法，LMS算法，NLMS算法。而本系統可以根據不同的噪聲背景選擇，不同的消噪模式。

5.設計流程

SOC設計一般采用經(jīng)典的自頂向下的設計流程。它開(kāi)始于規范制定、功能劃分，結束于系統集成和驗證。主要包括以下步驟：① 為系統和子系統制定全面的設計規范。② 精簡(jiǎn)設計中的結構和算法。如果必要的話(huà)，包括軟件設計和軟硬件協(xié)同仿真。③ 把芯片功能劃分為定義好了的核。④ 設計或者選擇合適的核。⑤ 把核進(jìn)行集成，進(jìn)行功能驗證和時(shí)序驗證。⑥ 把子系統或系統提交給下一級更高層次的集成，如果是最頂層，則可以Tapeout（投片）⑦ 驗證設計的所有方面（功能、時(shí)序等等）。

圖 4 SOC設計流程

本系統做為SOPC設計方法的獨特之處在于：1.高級算法建模，可以利用matlab仿真之后，使用DSPbuilder將算法生成為VHDL的硬件描述語(yǔ)言代碼，直接在FPGA中生成電路，驗證算法。相對于仿真模擬，可靠性進(jìn)一步增加。2.由于采用SOPC的設計方案，在整個(gè)系統設計完成后，可以利用FPGA直接做成板級產(chǎn)品，投入市場(chǎng)?，F在的低端FPGA的成本已經(jīng)下降很多，對于本應用的規模電路設計，其完全可以滿(mǎn)足需求。待市場(chǎng)明細后，可快速生成SOC方案，進(jìn)一步降低成本，降低投資風(fēng)險。