利用高性能語音捕獲SoC提升語音辨識(shí)度

近年來，智能手機(jī)和筆記本電腦等移動(dòng)/便攜設(shè)備市場(chǎng)持續(xù)快速發(fā)展。這些產(chǎn)品在不斷集成更多新功能以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的同時(shí)，在基本語音通信功能的用戶體驗(yàn)方面仍有充足提升空間，特別是在嘈雜環(huán)境下提升語音清晰度，同時(shí)保持語音自然逼真度。例如，用戶在擁擠的商業(yè)街區(qū)行走時(shí)，周圍環(huán)境中可能充斥著汽車?yán)?、發(fā)動(dòng)機(jī)轟鳴、建筑施工噪聲、嘈雜人群噪聲、腳步聲甚至是風(fēng)噪等，此時(shí)用手機(jī)進(jìn)行語音通話時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)難以提供清晰的語音通信效果。此外，制造商也在為新興的平板電腦等增加視頻通話功能。在利用這些移動(dòng)/便攜設(shè)備用于電話會(huì)議時(shí)，周圍環(huán)境中同樣可能包括多種噪聲，如辦公室嘈雜人聲、周圍談話聲、電腦噪聲、筆劃噪聲及玻璃器皿碰擊聲等，要提供清晰的通話效果同樣不易。

在這些應(yīng)用中，要降低或?yàn)V除環(huán)境噪聲，提升語音通信效果，可以采用不同的方法，如專門降噪麥克風(fēng)、模擬電路降噪或數(shù)字電路降噪等(見表1)。這些方法各有其特點(diǎn)，相比較而言，采用數(shù)字電路降噪的方法靈活，聲學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜度較低，且降噪效果優(yōu)越。當(dāng)然，便攜設(shè)備設(shè)計(jì)人員除了要提供良好的降噪效果，還面臨著多種設(shè)計(jì)約束及挑戰(zhàn)，如尺寸、能耗、物理聲學(xué)設(shè)計(jì)、音頻保真度及成本等。

表1：不同降噪技術(shù)比較。

先進(jìn)的雙麥克風(fēng)實(shí)時(shí)自適應(yīng)噪聲消減技術(shù)

安森美半導(dǎo)體最新推出了基于數(shù)字電路降噪技術(shù)的BelaSigna R261高性能語音捕獲系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)。該器件采用先進(jìn)的雙麥克風(fēng)噪聲消減技術(shù)，能夠幫助設(shè)計(jì)提供優(yōu)異的噪聲消減效果(參見圖1)。這種先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)接受兩個(gè)麥克風(fēng)的信號(hào)，能夠區(qū)分不同類型的信號(hào)，提取有效的語音信息并抑制環(huán)境噪聲，從而提升語音辨識(shí)度。

圖1：BelaSigna R261采用先進(jìn)的實(shí)時(shí)自適應(yīng)噪聲消減算法。

BelaSigna R261在其集成的ROM存儲(chǔ)器中內(nèi)置了語音提取算法。這種算法利用一個(gè)或多個(gè)傳感器來提取波形傳播信號(hào)，而不需要預(yù)先知道聲源或傳感器位置。這種方案利用全局優(yōu)化準(zhǔn)則，同時(shí)工作在頻域、時(shí)域和空域，對(duì)聲源的數(shù)量及傳感器的數(shù)量沒有限制，與信噪比(SNR)無關(guān)，即在低SNR和高SNR環(huán)境下能夠同樣優(yōu)化地工作，非常適合于需要從不同噪聲域中提取有用語音信號(hào)的手機(jī)和便攜計(jì)算機(jī)等應(yīng)用。

這種自適應(yīng)噪聲抑制算法提供25 dB的噪聲抑制能力，能夠?qū)崟r(shí)地分離需要的語音與環(huán)境噪聲，適合于各種語音源和各種位置下的語音，同時(shí)能夠保證音質(zhì)自然(其它方案處理后聲音不自然、不飽滿)，可以有效配合各種品質(zhì)的麥克風(fēng)工作。

BelaSigna R261關(guān)鍵特性解析

BelaSigna R261是一款高性能的語音捕獲SoC，集成了數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、穩(wěn)壓器、鎖相環(huán)(PLL)、電平轉(zhuǎn)換器及ROM存儲(chǔ)器，如此高的集成度與其它方案相比，能夠降低物料單(BOM)。如圖2所示，這器件支持雙麥克風(fēng)直接輸入，噪聲消減算法內(nèi)置于集成的ROM存儲(chǔ)器中，基于DSP結(jié)構(gòu)的應(yīng)用控制器提供高性能及超低能耗，提供雙通模擬輸出，并支持?jǐn)?shù)字麥克風(fēng)輸出。此外，內(nèi)置的電源管理模塊支持1.8 V至3.3 V的供電電壓，內(nèi)置的片上PLL提供多種頻率選擇，還提供I2C接口。

圖2：BelaSigna R261 高性能語音捕獲SoC功能架構(gòu)圖。

特別值得一提的是，BelaSigna R261采用的雙麥克風(fēng)實(shí)時(shí)自適應(yīng)噪聲消減算法提供兩種基本的算法模式，分別是遠(yuǎn)距離拾音模式(算法模式0)和近距離拾音模式(算法模式1)。算法模式0針對(duì)遠(yuǎn)距離拾音而優(yōu)化，可以拾取多達(dá)6米遠(yuǎn)的語音，同時(shí)抑制噪聲，并支持360度全方位拾音，適合于筆記本電腦、免提電話/會(huì)議或手機(jī)免提通話模式。在這種模式下，即使用戶沒有對(duì)準(zhǔn)麥克風(fēng)，甚至是遠(yuǎn)離麥克風(fēng)，都能提供極佳的語音清晰度，從而增強(qiáng)用戶使用的自由度。算法模式1針對(duì)近距離拾音而優(yōu)化，這時(shí)用戶離麥克風(fēng)極近(距離小于5厘米)，即在近距離內(nèi)拾取語音，有效抑制各種環(huán)境噪聲，適用于手機(jī)、學(xué)習(xí)機(jī)、對(duì)講機(jī)等在強(qiáng)噪聲環(huán)境中工作的設(shè)備。

除了這兩種基本算法模式，BelaSigna R261還提供定制算法模式，幫助制造商滿足特定應(yīng)用需求。這種算法模式支持特殊配置，并能夠通過外部EEPROM或I2C控制接口加載新的算法參數(shù)來調(diào)整。算法效果能夠根據(jù)特定應(yīng)用、麥克風(fēng)類型、位置及其它系統(tǒng)參數(shù)來優(yōu)化。

表2：BelaSigna R261支持遠(yuǎn)距離拾音、近距離拾音及定制等不同模式。

如上所述，BelaSigna R261提供高集成度，內(nèi)置自適應(yīng)噪聲消減算法，能夠直接連接至數(shù)字麥克風(fēng)接口或主芯片(基帶處理器)的麥克風(fēng)輸入端。故除了支持多種拾音模式，這器件的另一項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)就是便于集成到設(shè)計(jì)之中，可將設(shè)計(jì)入選(design-in)所須的時(shí)間和工程工作減至最少，因?yàn)樵O(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不須開發(fā)或獲取算法，也不須設(shè)計(jì)復(fù)雜的支援及接口電路。

這器件也使關(guān)注成本的原設(shè)備制造商(OEM)能夠在設(shè)計(jì)中采用便宜的兩個(gè)(不一定匹配的)全向麥克風(fēng)，令麥克風(fēng)的布設(shè)更靈活，且生產(chǎn)線上不須調(diào)試麥克風(fēng)，進(jìn)一步節(jié)省時(shí)間及成本。這SoC采用極緊湊的5.3 mm2 WLCSP封裝(包括26球和30球兩種版本)，占用的電路板空間比其它可選方案小得多，即使空間最受限的便攜消費(fèi)電子產(chǎn)品外形因數(shù)也用得上。此外，這器件在3.3 V電壓時(shí)的電流消耗為15 mA，能耗極低。

BelaSigna R261應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于BelaSigna R261基于ROM的噪聲消減算法非常靈活，麥克風(fēng)布局(物理聲學(xué)設(shè)計(jì))就存在多種可能的選擇，但默認(rèn)算法只有麥克風(fēng)以下述方式布局時(shí)才能最優(yōu)工作：1)兩個(gè)麥克風(fēng)面向用戶的嘴；2)兩個(gè)麥克風(fēng)的中間點(diǎn)位于距離各個(gè)麥克風(fēng)10至25 mm范圍內(nèi)。當(dāng)然，使用定制模式時(shí)也能使用其它麥克風(fēng)布局配置。

在電路設(shè)計(jì)方面，BelaSigna R261的設(shè)計(jì)針對(duì)的是在單個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)支持?jǐn)?shù)字及模擬處理。由于這種混合信號(hào)電路屬性，要維持高音頻保真度，審慎設(shè)計(jì)印制電路板(PCB)布線就至關(guān)重要。為了避免耦合噪聲進(jìn)入音頻信號(hào)路徑，要使數(shù)字信號(hào)走線(trace)遠(yuǎn)離模擬信號(hào)走線。為了避免電氣反饋耦合，還需要將輸入走線與輸出走線隔離。

在接地設(shè)計(jì)方面，接地層應(yīng)該分為兩部分，分別是模擬接地層(VSSA)和數(shù)字接地層(VSSD)。這兩個(gè)接地層應(yīng)當(dāng)通過單個(gè)點(diǎn)(即星形連接點(diǎn))連接在一起。星形連接點(diǎn)應(yīng)當(dāng)位于電源穩(wěn)壓器輸出端電容的接地端。當(dāng)然，這些只是設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用BelaSigna R261設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的部分問題。詳細(xì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)參見參考資料2。

總結(jié)：

便攜設(shè)備音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要易于集成到其系統(tǒng)中的高性能語音捕獲方案，同時(shí)滿足其對(duì)尺寸、能耗及成本等方面的要求。安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應(yīng)商，以BelaSigna R261高性能語音捕獲SoC為設(shè)計(jì)人員提供簡(jiǎn)便的選擇。這器件具備高集成度，內(nèi)置先進(jìn)的自適應(yīng)噪聲消減算法，支持多種語音拾取模式，使智能手機(jī)、對(duì)講機(jī)、筆記本及平板電腦等應(yīng)用都能夠提供清晰舒適的語音通信，具有極高的設(shè)計(jì)靈活度，同時(shí)尺寸小、功耗低，便于選用低成本的麥克風(fēng)，使各類便攜消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商都能大幅提升語音辨識(shí)度及客戶滿意度，并加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。