基于迷你陣列麥克風(fēng)技術(shù)的手持通信產(chǎn)品設(shè)計(jì)

手持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的空間限制越來(lái)越多，揚(yáng)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（視頻免提通話時(shí)的線性、非線性回聲），在噪聲環(huán)境下實(shí)現(xiàn)清晰的語(yǔ)音通信，是一個(gè)面臨解決的問(wèn)題。

美國(guó)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）專利技術(shù)的，采用空間濾波技術(shù)、遠(yuǎn)/近距離定向拾取聲音信號(hào)、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(shè)計(jì)要點(diǎn)、FM2010芯片主要功能，及其在GSM手機(jī)中的典型應(yīng)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(shè)計(jì)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(duì)背擺放或者邊對(duì)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(wěn)態(tài)噪聲。麥克風(fēng)的特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和FM2010的參數(shù)調(diào)整決定了錐形拾音束的方向、角度和抑制非穩(wěn)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(dá)（IEA）的Uni麥克風(fēng)B4015UL403和Omni麥克風(fēng)B4015AL-398。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(wěn)態(tài)噪聲的方向，所以應(yīng)該保證有用信號(hào)在拾音束內(nèi)，否則會(huì)被當(dāng)作噪聲而被抑制。因此在產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮Uni麥克風(fēng)的方向。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該保證Uni麥克風(fēng)在裝入麥克風(fēng)套筒和整個(gè)機(jī)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)減振可以減小非線性回聲，氣密性可以減小線性回聲，提高系統(tǒng)的信號(hào)回聲比。

3 經(jīng)過(guò)FM2010處理后的信號(hào)

迷你陣列麥克風(fēng)拾取的信號(hào)和經(jīng)過(guò)FM2010處理以后輸出的信號(hào)比較如圖4所示。聲源距離迷你陣列麥克風(fēng)0.3m，聲強(qiáng)為83dB（SPL）。測(cè)試信號(hào)分別為Uni麥克風(fēng)0和180、Omni麥克風(fēng)0和180、線路輸出（Lout）迷你陣列麥克風(fēng)0和180拾取的信號(hào)經(jīng)過(guò)FM2010處理以后輸出的信號(hào)。從圖4中可以看出，同樣大小的信號(hào)，在拾音束內(nèi)（0）和拾音束外（180）最終輸出的信號(hào)可以相差20dB。也就是說(shuō)，只要非穩(wěn)態(tài)噪聲在拾音束外，相對(duì)于有用信號(hào)，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(shù)調(diào)整，圖5為實(shí)際測(cè)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(jī)中的應(yīng)用

FM2010采用低功耗小尺寸設(shè)計(jì)，功耗不到25mW，片內(nèi)集成DSP、CODEC、ROM和RAM，適合移動(dòng)手持設(shè)備應(yīng)用。

以TI的手機(jī)平臺(tái)為例，如圖6所示，F(xiàn)M2010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(hào)（HS REF）、免提喇叭回聲消除的參考信號(hào)（HF REF）、陣列麥克風(fēng)電源及控制（MIC PWR）、陣列麥克風(fēng)信號(hào)經(jīng)FM2010處理后的輸出信號(hào)（LOUT）。FM2010和數(shù)字基帶處理器主要接口有6個(gè)：時(shí)鐘信號(hào)（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(fù)位控制（RESET）和省電控制（PWD）。

圖6 FM2010在TI手機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用框圖

Uni麥克風(fēng)和Omni麥克風(fēng)拾取的信號(hào)經(jīng)可編程增益放大器放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和高通濾波后送語(yǔ)音處理器處理（線性回聲消除、非線性回聲消除、VAD檢測(cè)、噪聲抑制處理麥克風(fēng)音量設(shè)定），輸出的語(yǔ)音數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后將麥克風(fēng)信號(hào)從線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(shù)字基帶處理器OMAP733/750處理。GSM手機(jī)接收到信號(hào)經(jīng)解調(diào)以后，經(jīng)過(guò)信號(hào)數(shù)字基帶處理器OMAP733/750信道解碼，機(jī)密處理以后得到數(shù)字音頻信號(hào)送TWL3014/16模擬基帶處理器，經(jīng)過(guò)下行鏈路處理從受話器（HSO）和耳機(jī)（EARP/EARN）輸出，一路送受話器，一路送外部功放放大，驅(qū)動(dòng)免提喇叭，同時(shí)兩路信號(hào)分別送FM2010的線路輸入端輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換和高通濾波轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音數(shù)據(jù)，送語(yǔ)音處理器處理作為回聲參考信號(hào)。典型應(yīng)用如圖7所示。

圖7 FM2010典型應(yīng)用原理圖

FM2010在GSM手機(jī)中的工作模式可以根據(jù)需要來(lái)設(shè)置，主要有測(cè)試模式、手持消噪模式、免提會(huì)議模式、免提個(gè)人專用模式。測(cè)試模式主要用于手機(jī)音頻測(cè)試（Acoustics），此時(shí)設(shè)置FM2010進(jìn)入到直通模式（IRQ_ANA），F(xiàn)M2010只將Uni麥克風(fēng)信號(hào)放大，不做其他任何處理，從線路輸出引腳輸出；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)消除通話環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)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(zhuǎn)模式，F(xiàn)M2010放大處理Omni麥克風(fēng)的信號(hào)，消除通話環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)回聲，從線路輸出引腳輸出，麥克風(fēng)可以拾取全方向的信號(hào)；免提個(gè)人用模式可以針對(duì)一個(gè)人使用的會(huì)議場(chǎng)合或視頻通話。

OMAP733/750對(duì)FM2010的控制流程：通過(guò)SHI接口、PWD、RESET、ANA_IRQ控制引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)FM2010的操作。整機(jī)上電以后，首先將PWD置高，ANA_IRQ置低，復(fù)位以后，送參數(shù)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，通話模式是根據(jù)是否有電話打入、打出或是錄音操作，喚醒FM2010，復(fù)位后根據(jù)手持/免提模式，送FM2010相應(yīng)模式參數(shù)。對(duì)于手持消噪模式，需要送麥克風(fēng)數(shù)量、麥克風(fēng)增益、麥克風(fēng)音量、消回聲參數(shù)和VAD參數(shù)。對(duì)于免提會(huì)議模式、需要送麥克風(fēng)數(shù)量、麥克風(fēng)增益、麥克風(fēng)音量、麥克風(fēng)反轉(zhuǎn)、消回聲參數(shù)（主要包含對(duì)方小聲講話、正常講話、大聲講話時(shí)）。免提個(gè)人專用模式調(diào)試方法基本同手持消噪模式，回聲消除參數(shù)需要更多調(diào)整。通話結(jié)束后，關(guān)閉FM2010的CODEC，將 FM2010設(shè)置到省電模式。如圖9所示，GSM手機(jī)音頻測(cè)試模式主要用于手機(jī)測(cè)試目的。進(jìn)入測(cè)試模式以后，F(xiàn)M2010工作在直通模式，此時(shí)內(nèi)部DSP對(duì)麥克風(fēng)輸入信號(hào)不進(jìn)行任何處理，Uni麥克風(fēng)輸入信號(hào)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接口在線麥克風(fēng)放大器和LOUT放大器增益參數(shù)。

圖8 通話模式控制流程

圖9 測(cè)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(hào)，最大時(shí)鐘頻率400kHz，在對(duì)FM2010進(jìn)行模式和參數(shù)設(shè)置時(shí)，首先是發(fā)一個(gè)傳送開(kāi)始狀態(tài)，接著送1字節(jié)SHI設(shè)備地址 C0，2字節(jié)同步字 FCF3，然后是控制命令字 3B，2字節(jié)參數(shù)地址，2字節(jié)參數(shù)數(shù)據(jù), 重復(fù)然后是控制命令字 3B，2字節(jié)參數(shù)地址，2字節(jié)參數(shù)數(shù)據(jù)，最后啟動(dòng)命令控制命令字 3B，2字節(jié)參數(shù)地址1E 3A，2字節(jié)參數(shù)數(shù)據(jù)00 00結(jié)束，讓FM2010正常運(yùn)行。