采用MEMS麥克風(fēng)實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下對特定語音的提取與放大

本系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖一。冗雜聲音信號經(jīng)ADMP421麥克風(fēng)陣列采集，由SPI控制模塊讀取語音信息，將聲音信號采集進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。人機(jī)交互可以設(shè)置語音處理的各項初始參量，確定語音閾值，實現(xiàn)用戶自定義的語音處理，增強(qiáng)系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)性。之后，語音信息被送往FIR處理單元，進(jìn)行下一步的濾波處理，初步將語音信號提取出來。這時，可以利用OR1200構(gòu)建的CPU進(jìn)行進(jìn)一步的軟件處理，以實現(xiàn)更為復(fù)雜的語音處理。經(jīng)過相關(guān)處理的語音信號，可以直接通過MCU控制和IIS控制輸出給WM8731進(jìn)行音頻解碼輸出。如果需要較大功率輸出，可以使用音頻放大電路將音頻信號放大輸出。

另外，由于FPGA內(nèi)部的存儲器較小，且為易失性的，所以需要外擴(kuò)存儲器存儲程序以及用戶設(shè)定信息。如果需要運行操作系統(tǒng)，則需要外擴(kuò)RAM以保證程序執(zhí)行所需存儲器和提高程序執(zhí)行效率。

圖 1 SOPC語音增強(qiáng)系統(tǒng)構(gòu)架

3.單元模塊設(shè)計

3.1 軟核OR1200

OR1200是OpenCores組織提供的基于GPL協(xié)議的開放源代碼處理器，性能介于ARM7和ARM9之間，適合一般的嵌入式系統(tǒng)使用。OpenCores組織提供了大量的源代碼IP核供研究人員使用,OR1200在使用0.18um及6層金屬工藝時，主頻可以運行在300MHz，可以提供300Dhrystone、2.1MIPS和300次的32x32 DSP乘加操作。OR1200是32位標(biāo)量RISC處理器，具有哈佛結(jié)構(gòu)、5級整數(shù)流水線、支持MMU和Cache，帶有基本的DSP功能。外部數(shù)據(jù)和地址總線采用Wishbone片上總線標(biāo)準(zhǔn)。

3.2組合麥克風(fēng)

目前市面上，最為流行駐極體麥克風(fēng)（ECM），但硅麥克風(fēng)大有取而代之的趨勢，這主要由于硅麥克風(fēng)有駐極體麥克風(fēng)不可比擬的優(yōu)勢。硅麥克風(fēng)就單個器件來說，半徑是駐極體麥克風(fēng)的 1/3 或 1/4，尺寸大大減小，有更高的集成度。能耗為 ECM 的 1/2。不僅如此，硅麥克風(fēng)有更強(qiáng)的抗射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EMI），可以在惡劣的電磁場環(huán)境正常工作，同時能夠承受表面貼裝工藝的高溫度而性能不變。MEMS麥克風(fēng)^[5]非常適合麥克風(fēng)安保和監(jiān)視應(yīng)用，可同時改善采集和波束成型體驗。ADMP421^[6]可以提供一流的SNR和擴(kuò)展頻率響應(yīng)，音質(zhì)出色，聲音高度清晰，適用于高清語音/聲音識別。器件間的容差極小，增強(qiáng)了波束成形的方向性，同時卓越的PSRR和小封裝尺寸使設(shè)計人員可以極其靈活地放置麥克風(fēng)。

另外ADMP421數(shù)字麥克風(fēng)有著塵埃過濾器，工作性能不會隨著時間的推移而下降。

ADMP421與FPGA的接口為通用的SPI串行控制方式，控制方式比較簡單。

圖 2 ADMP421典型接口電路^[7]

3.3 WM8731音頻輸出模塊

WM8731^[8]是一款專用低功耗立體CODECs，內(nèi)置了耳機(jī)驅(qū)動。該芯片是專門為MP3播放器設(shè)計的，音頻采樣和播放的芯片，其原理圖如下：

圖 3 WM8731原理圖^[8]

該芯片支持立體聲輸入和播放，內(nèi)置時鐘發(fā)生器，支持多種時鐘模式，通過一個12MHz時鐘，該器件可以直接生成44.1kHz、48kHz和96kHz等采樣率，以及MP3標(biāo)準(zhǔn)定義的其他采樣率，完全不需要一個獨立的鎖相環(huán)（phase locked loop）或晶振。音頻采樣和播放采用24位AD和DA，控制信號可用IIC協(xié)議和SPI協(xié)議，數(shù)字音頻信號輸入輸出可采用Right justified 、Left justified ，IIS和 DSP 四種模式。