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

脈沖密度調(diào)制(PDM)信號和數(shù)字麥克風(fēng)接口：
模擬信號轉(zhuǎn)換成PCM信號，根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)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(shù)裝換，每個(gè)采樣點(diǎn)可以用多位比特的數(shù)據(jù)表示。比特?cái)?shù)越多，采樣精度越高，失真越小，但是電路會復(fù)雜，成本很高，不適合低成本數(shù)字麥克風(fēng)應(yīng)用。如圖3b，數(shù)字麥克風(fēng)通常是采用1位δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對模擬信號進(jìn)行過采樣（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。過采樣可使量化噪聲遠(yuǎn)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(dá)很高的精度。

圖3 PDM信號

數(shù)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(shù)據(jù)（DAT）和通道選擇（L/R）。數(shù)字麥克風(fēng)接口芯片需要提供麥克風(fēng)電源（需要和系統(tǒng)電平匹配）和外部時(shí)鐘信號(1.024～3.074MHz)，數(shù)字麥克風(fēng)在獲取時(shí)鐘信號后，從省電狀態(tài)轉(zhuǎn)到正常工作狀態(tài)。拾取聲音信號過采樣轉(zhuǎn)換成脈沖密度調(diào)制（PDM）的數(shù)據(jù)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(nèi)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(zhuǎn)換成低頻高位流的PCM信號，同時(shí)濾除量化噪聲。PDM接口可以掛接兩個(gè)數(shù)字麥克，共享時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線，通過通道選擇（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(shù)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(shù)據(jù)線保持高阻狀態(tài)，傳輸L/R=1的麥克風(fēng)（MIC1）的數(shù)據(jù)；在時(shí)鐘為低時(shí)，L/R=1的麥克風(fēng)（MIC1）數(shù)據(jù)線保持高阻狀態(tài)，傳輸L/R=0的麥克風(fēng)（MIC0）的數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)字麥克風(fēng)的輸出信號

數(shù)字麥克風(fēng)陣列在手機(jī)平臺的應(yīng)用
2個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)使用同一組電源，電源電壓同語音處理芯片F(xiàn)M34-395（見圖5）。數(shù)字麥克風(fēng)陣列通過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)過數(shù)字麥克風(fēng)放大并轉(zhuǎn)換成PDM信號連接到語音處理芯片F(xiàn)M34-395芯片。兩路麥克風(fēng)信號經(jīng)過下采樣裝換成16位的PCM信號，放大濾波以后進(jìn)行相關(guān)處理。

圖5 數(shù)字麥克風(fēng)陣列在MTK手機(jī)平臺典型應(yīng)用

手持模式下，根據(jù)數(shù)字麥克風(fēng)陣列拾取的近端信號差異，對近端語音做穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)噪聲抑制和線性回聲消除處理, 處理完成的信號經(jīng)過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(cè)音送到受話器(Receiver)。下行信號通過基帶芯片（PCM OUT引腳）送到FM34-395的輸入引腳（RxDc），經(jīng)過噪聲抑制，并根據(jù)數(shù)字麥克風(fēng)陣列提供的噪聲信息判斷是否啟動清晰語音引擎來亮化受話器(Receiver)的聲音，使用戶在噪聲環(huán)境下依然可以聽得清，同時(shí)作為回聲消除的參考信號。

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

數(shù)字麥克風(fēng)陣列的擺放：主麥克風(fēng)擺在手機(jī)正面下方或下側(cè)面，就是盡量靠近使用者嘴部，參考麥克風(fēng)擺在手機(jī)背面上方或上側(cè)面，即是靠近使用者的耳朵，這樣在手持模式下近端語音數(shù)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(yuǎn)的噪聲沒有差別，利用數(shù)字語音處理器FM34-395處理，就可以實(shí)現(xiàn)定向定距離拾音，抑制各種環(huán)境噪聲。

數(shù)字麥克風(fēng)陣列在筆記本電腦中的應(yīng)用
圖6為數(shù)字麥克風(fēng)陣列在筆記本電腦的典型應(yīng)用。通常數(shù)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時(shí)，聲源位于數(shù)字麥克風(fēng)陣列拾音束內(nèi)，可以傳送出去，而兩旁的噪聲位于拾音束外被抑制，實(shí)現(xiàn)清晰語音通信。陣列中的數(shù)字麥克風(fēng)，可以按10.5mm擺放作為小型數(shù)字麥克風(fēng)陣列，也可以采用距離70～210mm的寬陣列，根據(jù)麥克風(fēng)擺放配置相應(yīng)的軟件。

圖6 數(shù)字麥克風(fēng)陣列在筆記本電腦的典型應(yīng)用

數(shù)字麥克風(fēng)拾取轉(zhuǎn)換成PDM格式的信號通過線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(shù)字麥克風(fēng)接口，下采樣轉(zhuǎn)換成兩路音頻信號，送到位于高清音頻編解碼器驅(qū)動層的小型麥克風(fēng)陣列處理軟件（SAMSoft）處理，實(shí)現(xiàn)噪聲抑制（Noise Suppression），回聲消除（Acoustic Echo Cancellation），遠(yuǎn)距離拾音（Far Field Pick Up）敲擊鍵盤噪聲抑制等功能。