數字麥克風和陣列拾音技術的應用

隨著數字訊號處理技術的發展，使用數字音頻技術的電子產品越來越多。數字音頻介面成為發展的潮流，採用脈衝密度調製(PDM)介面的ECM和MEMS數字麥克風也孕育而生。目前，ECM和MEMS數字麥克風已經成為攜帶型膝上型電腦拾音裝置的主流。

　　數字ECM或MEMS麥克風和傳統的ECM麥克風相比，有著不可取代的優勢。首先，行動裝置向小型化數字化發展，急需數字拾音器件和技術;第二，裝置包含的功能單元越來越多，如膝上型電腦，整合了藍芽和WiFi無線功能，麥克風距離這些幹擾源很近，裝置對抗擾要求越來越高;第三，三網合一的發展，需要上網，視頻和語音通訊可以同時進行，這在行動裝置中通常會遇到環境雜訊和回聲的影響;第四，從提高生產效率角度，希望對麥克風採用SMT焊接。數字麥克風適合SMT焊接，可以解決系統各種射頻幹擾對語音通訊產生的雜訊，富迪科技的數字陣列麥克風拾音技術可以抑制和消除通話時的回聲和環境雜訊，數字介面方便同數字系統的串連。

　　類比麥克風和數字麥克風

　　麥克風結構：ECM類比麥克風通常是由振膜，背極板，結型場效應管(JFET)和屏蔽外殼組成。振膜是塗有金屬的薄膜。背極板由駐極體材料做成，經過高壓極化以後帶有電荷，兩者形成平板電容。當聲音引起振膜震動，使兩者距離產生變化，從而引起電壓的變化，完成聲電轉換。利用結型場效應管用來阻抗變換和放大訊號，有些高靈敏度麥克風採用運放來提高麥克風靈敏度(見圖1a)。ECM數字麥克風通常是由振膜，背極板，數字麥克風晶片和屏蔽外殼組成，數字麥克風晶片主要由緩衝級，放大級，低通濾波器，抗模數轉換組成。緩衝級完成阻抗變換，放大級放大訊號，低通濾波濾除高頻訊號，防止模數轉換時產生混疊，模數轉換將放大的類比訊號轉換成脈衝密度調製(PDM)訊號，通常採用過採樣的1位Δ-Σ模數轉換(見圖1b)。MEMS類比麥克風主要由MEMS感應器，充電泵，緩衝放大器，屏蔽外殼組成。參照圖1c,
MEMS感應器由半導體工藝製成的振膜，背極板和支架構成，通過充電泵給背極板加上適當的極化偏壓。緩衝放大器完成阻抗變換，放大訊號。MEMS數字麥克風主要由MEMS感應器，充電泵，數字麥克風晶片和屏蔽外殼組成，參照圖1d。為了提高麥克風抗幹擾能力，麥克風內部電源和地之間都增加了小的濾波電容，通常是10pF和33pF並聯。

　　

 

　　圖1a ECM類比麥克風 圖1b ECM數字麥克風

　　

 

　　圖1c MEMS類比麥克風 圖1d MEMS數字麥克風

麥克風偏置電路：通過手機中麥克風電路的典型應用，比較一下ECM類比麥克風，MEMS類比麥克風和數字麥克風的差異。圖2a為ECM類比麥克風的偏置電路。為了減小幹擾，手機中的麥克風電路採用差分輸出。麥克風電源經過R5電阻C9電容濾波以後，通過R6供給麥克風內部的場效應管，由R6、R9差分組成差分輸出電路。C15和R6、R9以及麥克風的輸出阻抗組成低通濾波器，用來濾除超過語音頻段的高頻訊號，防止後級電路模數裝換時產生混疊。C13、C17隔離直流偏置，R7、R8用來防止電容對晶片輸入端的放電衝擊。其餘的33pF電容用來濾除射頻幹擾。麥克風輸出到基帶晶片的類比輸入端採用差分布線，減少雜訊和射頻幹擾(見圖2b)。MEMS麥克風的偏置電路。麥克風電源經過R1電阻C2電容濾波以後，供給MEMS麥克風內建的緩衝放大器和充電泵電路。MEMS拾取的聲音訊號轉換成類比電訊號，經過緩衝放大後輸出，經過C5、R2、C6組成的π型濾波器濾波，偽差分電路布線到基帶晶片。圖2c為數字麥克風的偏置電路。麥克風電源經過簡單濾波以後供給麥克風。聲音轉換成類比電訊號經過內部緩衝放大，在時鐘訊號(SCL)的驅動，下最後模數轉換成1位的PDM音頻資料,從資料引腳(DATA)輸出。

　　

 

　　圖2a ECM類比麥克風電路

　　

 

　　圖2b MEMS類比麥克風電路

　　

 

　　圖2c ECM/MEMES數字麥克風電路

　　各種類型麥克風比較：表1歸結出ECM類比麥克風，ECM數字麥克風，MEMS類比麥克風和MEMS數字麥克風的效能指標和各自的優缺點。

　　

類比訊號轉換成PCM訊號，根據奈奎斯特準則，通常必須用大於2倍的固定採樣頻率對類比訊號採樣。模數裝換，每個採樣點可以用多位位元的資料表示。位元數越多，採樣精度越高，失真越小，但是電路會複雜，成本很高，不適合低成本數字麥克風應用。3b，數字麥克風通常是採用1位δ-Σ模數轉換器，對類比訊號進行過採樣(只能用於頻寬有限的訊號，不適合寬頻訊號，例如視頻訊號)，採樣率由外部時鐘提供。過採樣可使量化雜訊遠離被採樣的音頻訊號。離訊號主頻fs越近,雜訊幅度越小。同時對抗混疊濾波器的要求大大降低，可以到達很高的精度。

　　

 

　　圖3 PDM訊號

　　數字麥克風通常由5個引腳，分別是電源(VDD)，地(GND)，時鐘(CLK)，資料(DAT)和通道選擇(L/R)。數字麥克風介面晶片需要提供麥克風電源(需要和系統電平匹配)和外部時鐘訊號(1.024～3.074MHz)，數字麥克風在擷取時鐘訊號後，從省電狀態轉到正常工作狀態。拾取聲音訊號過採樣轉換成脈衝密度調製(PDM)的資料流(訊號幅度變化越劇烈，脈衝密度越密)送給處理晶片，晶片內部的抽取濾波器(Decimator)下採樣(Down sample)並低通濾波，將高頻低位流的訊號轉換成低頻高位流的PCM訊號，同時濾除量化雜訊。PDM介面可以掛接兩個數字麥克，共用時鐘和資料線，通過通道選擇(L/R)選擇時鐘高和低時是哪個通道的麥克風。圖4為數字麥克風的輸出訊號。在時鐘為高時，L/R=0的麥克風(MIC0)資料線保持高阻狀態，傳輸L/R=1的麥克風(MIC1)的資料;在時鐘為低時，L/R=1的麥克風(MIC1)資料線保持高阻狀態，傳輸L/R=0的麥克風(MIC0)的資料。

　　

 

　　圖4 數字麥克風的輸出訊號

　　數字麥克風陣列在手機平台的應用

　　2個數字麥克風使用同一組電源，電源電壓同語音處理晶片FM34-395(見圖5)。數字麥克風陣列通過L/R引腳配置成成主麥克風(L/R接地)和參考麥克風(L/R接電源)，拾取的近端訊號經過數字麥克風放大並轉換成PDM訊號串連到語音處理晶片FM34-395晶片。兩路麥克風訊號經過下採樣裝換成16位的PCM訊號，放大濾波以後進行相關處理。

　　

 

　　圖5 數字麥克風陣列在MTK手機平台典型應用

　　手持模式下，根據數字麥克風陣列拾取的近端訊號差異，對近端語音做穩態和非穩態雜訊抑制和線性回聲消除處理, 處理完成的訊號經過PCM引腳(TxDp)送到基帶晶片(PCM IN引腳)作為上行訊號，送併產生側音送到受話器(Receiver)。下行訊號通過基帶晶片(PCM OUT引腳)送到FM34-395的輸入引腳(RxDc)，經過雜訊抑制，並根據數字麥克風陣列提供的雜訊資訊判斷是否啟動清晰語音引擎來亮化受話器(Receiver)的聲音，使使用者在雜訊環境下依然可以聽得清，同時作為回聲消除的參考訊號。

　　免提模式下，根據麥克風陣列拾取的回聲訊號差異，對夾雜聲學回聲的近端語音進行消除處理, 處理完的語音做穩態雜訊抑制處理，輸出訊號經過PCM引腳(TxDp)送到基帶晶片(PCM IN引腳)作為上行訊號。下行訊號通過基帶晶片(PCM OUT引腳)送到FM34-395的輸入引腳(RxDc)，經過雜訊抑制，並根據數字麥克風陣列提供的雜訊資訊判斷是否啟動清晰語音引擎來亮化受話器(Receiver)的聲音，使使用者在雜訊環境下依然可以聽得清，同時作為回聲消除的參考訊號。

　　數字麥克風陣列的擺放：主麥克風擺在手機正面下方或下側面，就是盡量靠近使用者嘴部，參考麥克風擺在手機背面上方或上側面，即是靠近使用者的耳朵，這樣在手持模式下近端語音數字麥克風陣列的兩個麥克風拾取的訊號有足夠的差別，而較遠的雜訊沒有差別，利用數字語音處理器FM34-395處理，就可以實現定向定距離拾音，抑制各種環境雜訊。

　　數字麥克風陣列在膝上型電腦中的應用

　　圖6為數字麥克風陣列在膝上型電腦的典型應用。通常數字麥克風陣列和網路攝影機模組一起，安裝在膝上型電腦顯示屏上方中央，這樣使用者在視訊交談或通話時，聲源位於數字麥克風陣列拾音束內，可以傳送出去，而兩旁的雜訊位於拾音束外被抑制，實現清晰語音通訊。陣列中的數字麥克風，可以按10.5mm擺放作為小型數字麥克風陣列，也可以採用距離70～210mm的寬陣列，根據麥克風擺放配置相應的軟體。

　　

 

　　圖6 數字麥克風陣列在膝上型電腦的典型應用

　　數字麥克風拾取轉換成PDM格式的訊號通過線纜串連到膝上型電腦的高清音訊轉碼器(HD Audio Codec)音效卡的數字麥克風介面，下採樣轉換成兩路音頻訊號，送到位於高清音訊轉碼器驅動層的小型麥克風陣列處理軟體(SAMSoft)處理，實現雜訊抑制(Noise Suppression)，回聲消除(Acoustic Echo Cancellation)，遠距離拾音(Far Field Pick Up)敲擊鍵盤雜訊抑制等功能。