迈进数字拾音时代——数字麦克风和阵列拾音技术的应用

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随着数字信号处理技术的发展，使用数字音频技术的电子产品越来越多。数字音频接口成为发展的潮流，采用脉冲密度调制（PDM）接口的ECM和MEMS数字麦克风也孕育而生。目前，ECM和MEMS数字麦克风已经成为便携式笔记本电脑拾音设备的主流。

数字ECM或MEMS麦克风和传统的ECM麦克风相比，有着不可取代的优势。首先，移动设备向小型化数字化发展，急需数字拾音器件和技术；第二，设备包含的功能单元越来越多，如笔记本电脑，集成了蓝牙和WiFi无线功能，麦克风距离这些干扰源很近，设备对抗扰要求越来越高；第三，三网合一的发展，需要上网，视频和语音通信可以同时进行，这在移动设备中通常会遇到环境噪声和回声的影响；第四，从提高生产效率角度，希望对麦克风采用SMT焊接。数字麦克风适合SMT焊接，可以解决系统各种射频干扰对语音通信产生的噪声，富迪科技的数字阵列麦克风拾音技术可以抑制和消除通话时的回声和环境噪声，数字接口方便同数字系统的连接。
模拟麦克风和数字麦克风
麦克风结构：ECM模拟麦克风通常是由振膜，背极板，结型场效应管(JFET)和屏蔽外壳组成。振膜是涂有金属的薄膜。背极板由驻极体材料做成，经过高压极化以后带有电荷，两者形成平板电容。当声音引起振膜振动，使两者距离产生变化，从而引起电压的变化，完成声电转换。利用结型场效应管用来阻抗变换和放大信号，有些高灵敏度麦克风采用运放来提高麦克风灵敏度（见图1a）。ECM数字麦克风通常是由振膜，背极板，数字麦克风芯片和屏蔽外壳组成，数字麦克风芯片主要由缓冲级，放大级，低通滤波器，抗模数转换组成。缓冲级完成阻抗变换，放大级放大信号，低通滤波滤除高频信号，防止模数转换时产生混叠，模数转换将放大的模拟信号转换成脉冲密度调制(PDM)信号，通常采用过采样的1位Δ-Σ模数转换（见图1b）。MEMS模拟麦克风主要由MEMS传感器，充电泵，缓冲放大器，屏蔽外壳组成。参照图1c, MEMS传感器由半导体工艺制成的振膜，背极板和支架构成，通过充电泵给背极板加上适当的极化偏压。缓冲放大器完成阻抗变换，放大信号。MEMS数字麦克风主要由MEMS传感器，充电泵，数字麦克风芯片和屏蔽外壳组成，参照图1d。为了提高麦克风抗干扰能力，麦克风内部电源和地之间都增加了小的滤波电容，通常是10pF和33pF并联。



图1a ECM模拟麦克风   



        图1b ECM数字麦克风



图1c MEMS模拟麦克风                                



    图1d MEMS数字麦克风


麦克风偏置电路：通过手机中麦克风电路的典型应用，比较一下ECM模拟麦克风，MEMS模拟麦克风和数字麦克风的差异。图2a为ECM模拟麦克风的偏置电路。为了减小干扰，手机中的麦克风电路采用差分输出。麦克风电源经过R5电阻C9电容滤波以后，通过R6供给麦克风内部的场效应管，由R6、R9差分组成差分输出电路。C15和R6、R9以及麦克风的输出阻抗组成低通滤波器，用来滤除超过语音频段的高频信号，防止后级电路模数装换时产生混叠。C13、C17隔离直流偏置，R7、R8用来防止电容对芯片输入端的放电冲击。其余的33pF电容用来滤除射频干扰。麦克风输出到基带芯片的模拟输入端采用差分布线，减少噪声和射频干扰（见图2b）。MEMS麦克风的偏置电路。麦克风电源经过R1电阻C2电容滤波以后，供给MEMS麦克风内置的缓冲放大器和充电泵电路。MEMS拾取的声音信号转换成模拟电信号，经过缓冲放大后输出，经过C5、R2、C6组成的π型滤波器滤波，伪差分电路布线到基带芯片。图2c为数字麦克风的偏置电路。麦克风电源经过简单滤波以后供给麦克风。声音转换成模拟电信号经过内部缓冲放大，在时钟信号（SCL）的驱动，下最后模数转换成1位的PDM音频数据,从数据引脚（DATA）输出。



图2a ECM模拟麦克风电路



图2b MEMS模拟麦克风电路



图2c ECM/MEMES数字麦克风电路

各种类型麦克风比较：表1归结出ECM模拟麦克风，ECM数字麦克风，MEMS模拟麦克风和MEMS数字麦克风的性能指标和各自的优缺点。
                          
                       
                          
                               




脉冲密度调制(PDM)信号和数字麦克风接口：
模拟信号转换成PCM信号，根据奈奎斯特准则，通常必须用大于2倍的固定采样频率对模拟信号采样。模数装换，每个采样点可以用多位比特的数据表示。比特数越多，采样精度越高，失真越小，但是电路会复杂，成本很高，不适合低成本数字麦克风应用。如图3b，数字麦克风通常是采用1位δ-Σ模数转换器，对模拟信号进行过采样（只能用于带宽有限的信号，不适合宽频信号，例如视频信号），采样率由外部时钟提供。过采样可使量化噪声远离被采样的音频信号。离信号主频fs越近,噪声幅度越小。同时对抗混叠滤波器的要求大大降低，可以到达很高的精度。



图3  PDM信号

数字麦克风通常由5个引脚，分别是电源（VDD），地（GND），时钟（CLK），数据（DAT）和通道选择（L/R）。数字麦克风接口芯片需要提供麦克风电源（需要和系统电平匹配）和外部时钟信号(1.024～3.074MHz)，数字麦克风在获取时钟信号后，从省电状态转到正常工作状态。拾取声音信号过采样转换成脉冲密度调制（PDM）的数据流（信号幅度变化越剧烈，脉冲密度越密）送给处理芯片，芯片内部的抽取滤波器（Decimator）下采样（Down sample）并低通滤波，将高频低位流的信号转换成低频高位流的PCM信号，同时滤除量化噪声。PDM接口可以挂接两个数字麦克，共享时钟和数据线，通过通道选择（L/R）选择时钟高和低时是哪个通道的麦克风。图4为数字麦克风的输出信号。在时钟为高时，L/R=0的麦克风（MIC0）数据线保持高阻状态，传输L/R=1的麦克风（MIC1）的数据；在时钟为低时，L/R=1的麦克风（MIC1）数据线保持高阻状态，传输L/R=0的麦克风（MIC0）的数据。



图4 数字麦克风的输出信号

数字麦克风阵列在手机平台的应用
2个数字麦克风使用同一组电源，电源电压同语音处理芯片FM34-395（见图5）。数字麦克风阵列通过L/R引脚配置成成主麦克风（L/R接地）和参考麦克风（L/R接电源），拾取的近端信号经过数字麦克风放大并转换成PDM信号连接到语音处理芯片FM34-395芯片。两路麦克风信号经过下采样装换成16位的PCM信号，放大滤波以后进行相关处理。



图5 数字麦克风阵列在MTK手机平台典型应用

手持模式下，根据数字麦克风阵列拾取的近端信号差异，对近端语音做稳态和非稳态噪声抑制和线性回声消除处理, 处理完成的信号经过PCM引脚（TxDp）送到基带芯片（PCM IN引脚）作为上行信号，送并产生侧音送到受话器(Receiver)。下行信号通过基带芯片（PCM OUT引脚）送到FM34-395的输入引脚（RxDc），经过噪声抑制，并根据数字麦克风阵列提供的噪声信息判断是否启动清晰语音引擎来亮化受话器(Receiver)的声音，使用户在噪声环境下依然可以听得清，同时作为回声消除的参考信号。

免提模式下，根据麦克风阵列拾取的回声信号差异，对夹杂声学回声的近端语音进行消除处理, 处理完的语音做稳态噪声抑制处理，输出信号经过PCM引脚（TxDp）送到基带芯片（PCM IN引脚）作为上行信号。下行信号通过基带芯片（PCM OUT引脚）送到FM34-395的输入引脚（RxDc），经过噪声抑制，并根据数字麦克风阵列提供的噪声信息判断是否启动清晰语音引擎来亮化受话器(Receiver)的声音，使用户在噪声环境下依然可以听得清，同时作为回声消除的参考信号。

数字麦克风阵列的摆放：主麦克风摆在手机正面下方或下侧面，就是尽量靠近使用者嘴部，参考麦克风摆在手机背面上方或上侧面，即是靠近使用者的耳朵，这样在手持模式下近端语音数字麦克风阵列的两个麦克风拾取的信号有足够的差别，而较远的噪声没有差别，利用数字语音处理器FM34-395处理，就可以实现定向定距离拾音，抑制各种环境噪声。
数字麦克风阵列在笔记本电脑中的应用
图6为数字麦克风阵列在笔记本电脑的典型应用。通常数字麦克风阵列和摄像头模组一起，安装在笔记本电脑显示屏上方中央，这样使用者在视频聊天或通话时，声源位于数字麦克风阵列拾音束内，可以传送出去，而两旁的噪声位于拾音束外被抑制，实现清晰语音通信。阵列中的数字麦克风，可以按10.5mm摆放作为小型数字麦克风阵列，也可以采用距离70～210mm的宽阵列，根据麦克风摆放配置相应的软件。



图6 数字麦克风阵列在笔记本电脑的典型应用

数字麦克风拾取转换成PDM格式的信号通过线缆连接到笔记本电脑的高清音频编解码器（HD Audio Codec）声卡的数字麦克风接口，下采样转换成两路音频信号，送到位于高清音频编解码器驱动层的小型麦克风阵列处理软件（SAMSoft）处理，实现噪声抑制（Noise Suppression），回声消除（Acoustic Echo Cancellation），远距离拾音（Far Field Pick Up）敲击键盘噪声抑制等功能。