邁進(jìn)數(shù)字拾音時(shí)代——數(shù)字麥克風(fēng)和陣列拾音技術(shù)的應(yīng)用

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，使用數(shù)字音頻技術(shù)的電子產(chǎn)品越來越多。數(shù)字音頻接口成為發(fā)展的潮流，采用脈沖密度調(diào)制（PDM）接口的ECM和MEMS數(shù)字麥克風(fēng)也孕育而生。目前，ECM和MEMS數(shù)字麥克風(fēng)已經(jīng)成為便攜式筆記本電腦拾音設(shè)備的主流。

數(shù)字ECM或MEMS麥克風(fēng)和傳統(tǒng)的ECM麥克風(fēng)相比，有著不可取代的優(yōu)勢(shì)。首先，移動(dòng)設(shè)備向小型化數(shù)字化發(fā)展，急需數(shù)字拾音器件和技術(shù)；第二，設(shè)備包含的功能單元越來越多，如筆記本電腦，集成了藍(lán)牙和WiFi無線功能，麥克風(fēng)距離這些干擾源很近，設(shè)備對(duì)抗擾要求越來越高；第三，三網(wǎng)合一的發(fā)展，需要上網(wǎng)，視頻和語(yǔ)音通信可以同時(shí)進(jìn)行，這在移動(dòng)設(shè)備中通常會(huì)遇到環(huán)境噪聲和回聲的影響；第四，從提高生產(chǎn)效率角度，希望對(duì)麥克風(fēng)采用SMT焊接。數(shù)字麥克風(fēng)適合SMT焊接，可以解決系統(tǒng)各種射頻干擾對(duì)語(yǔ)音通信產(chǎn)生的噪聲，富迪科技的數(shù)字陣列麥克風(fēng)拾音技術(shù)可以抑制和消除通話時(shí)的回聲和環(huán)境噪聲，數(shù)字接口方便同數(shù)字系統(tǒng)的連接。

模擬麥克風(fēng)和數(shù)字麥克風(fēng)
麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)：ECM模擬麥克風(fēng)通常是由振膜，背極板，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)和屏蔽外殼組成。振膜是涂有金屬的薄膜。背極板由駐極體材料做成，經(jīng)過高壓極化以后帶有電荷，兩者形成平板電容。當(dāng)聲音引起振膜振動(dòng)，使兩者距離產(chǎn)生變化，從而引起電壓的變化，完成聲電轉(zhuǎn)換。利用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用來阻抗變換和放大信號(hào)，有些高靈敏度麥克風(fēng)采用運(yùn)放來提高麥克風(fēng)靈敏度（見圖1a）。ECM數(shù)字麥克風(fēng)通常是由振膜，背極板，數(shù)字麥克風(fēng)芯片和屏蔽外殼組成，數(shù)字麥克風(fēng)芯片主要由緩沖級(jí)，放大級(jí)，低通濾波器，抗模數(shù)轉(zhuǎn)換組成。緩沖級(jí)完成阻抗變換，放大級(jí)放大信號(hào)，低通濾波濾除高頻信號(hào)，防止模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生混疊，模數(shù)轉(zhuǎn)換將放大的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖密度調(diào)制(PDM)信號(hào)，通常采用過采樣的1位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換（見圖1b）。MEMS模擬麥克風(fēng)主要由MEMS傳感器，充電泵，緩沖放大器，屏蔽外殼組成。參照?qǐng)D1c, MEMS傳感器由半導(dǎo)體工藝制成的振膜，背極板和支架構(gòu)成，通過充電泵給背極板加上適當(dāng)?shù)臉O化偏壓。緩沖放大器完成阻抗變換，放大信號(hào)。MEMS數(shù)字麥克風(fēng)主要由MEMS傳感器，充電泵，數(shù)字麥克風(fēng)芯片和屏蔽外殼組成，參照?qǐng)D1d。為了提高麥克風(fēng)抗干擾能力，麥克風(fēng)內(nèi)部電源和地之間都增加了小的濾波電容，通常是10pF和33pF并聯(lián)。

圖1a ECM模擬麥克風(fēng)    

        圖1b ECM數(shù)字麥克風(fēng)

圖1c MEMS模擬麥克風(fēng)                                

    圖1d MEMS數(shù)字麥克風(fēng)
 

麥克風(fēng)偏置電路：通過手機(jī)中麥克風(fēng)電路的典型應(yīng)用，比較一下ECM模擬麥克風(fēng)，MEMS模擬麥克風(fēng)和數(shù)字麥克風(fēng)的差異。圖2a為ECM模擬麥克風(fēng)的偏置電路。為了減小干擾，手機(jī)中的麥克風(fēng)電路采用差分輸出。麥克風(fēng)電源經(jīng)過R5電阻C9電容濾波以后，通過R6供給麥克風(fēng)內(nèi)部的場(chǎng)效應(yīng)管，由R6、R9差分組成差分輸出電路。C15和R6、R9以及麥克風(fēng)的輸出阻抗組成低通濾波器，用來濾除超過語(yǔ)音頻段的高頻信號(hào)，防止后級(jí)電路模數(shù)裝換時(shí)產(chǎn)生混疊。C13、C17隔離直流偏置，R7、R8用來防止電容對(duì)芯片輸入端的放電沖擊。其余的33pF電容用來濾除射頻干擾。麥克風(fēng)輸出到基帶芯片的模擬輸入端采用差分布線，減少噪聲和射頻干擾（見圖2b）。MEMS麥克風(fēng)的偏置電路。麥克風(fēng)電源經(jīng)過R1電阻C2電容濾波以后，供給MEMS麥克風(fēng)內(nèi)置的緩沖放大器和充電泵電路。MEMS拾取的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，經(jīng)過緩沖放大后輸出，經(jīng)過C5、R2、C6組成的π型濾波器濾波，偽差分電路布線到基帶芯片。圖2c為數(shù)字麥克風(fēng)的偏置電路。麥克風(fēng)電源經(jīng)過簡(jiǎn)單濾波以后供給麥克風(fēng)。聲音轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)經(jīng)過內(nèi)部緩沖放大，在時(shí)鐘信號(hào)（SCL）的驅(qū)動(dòng)，下最后模數(shù)轉(zhuǎn)換成1位的PDM音頻數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)引腳（DATA）輸出。

圖2a ECM模擬麥克風(fēng)電路

圖2b MEMS模擬麥克風(fēng)電路

圖2c ECM/MEMES數(shù)字麥克風(fēng)電路

各種類型麥克風(fēng)比較：表1歸結(jié)出ECM模擬麥克風(fēng)，ECM數(shù)字麥克風(fēng)，MEMS模擬麥克風(fēng)和MEMS數(shù)字麥克風(fēng)的性能指標(biāo)和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

脈沖密度調(diào)制(PDM)信號(hào)和數(shù)字麥克風(fēng)接口：
模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成PCM信號(hào)，根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，通常必須用大于2倍的固定采樣頻率對(duì)模擬信號(hào)采樣。模數(shù)裝換，每個(gè)采樣點(diǎn)可以用多位比特的數(shù)據(jù)表示。比特?cái)?shù)越多，采樣精度越高，失真越小，但是電路會(huì)復(fù)雜，成本很高，不適合低成本數(shù)字麥克風(fēng)應(yīng)用。如圖3b，數(shù)字麥克風(fēng)通常是采用1位δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行過采樣（只能用于帶寬有限的信號(hào)，不適合寬頻信號(hào)，例如視頻信號(hào)），采樣率由外部時(shí)鐘提供。過采樣可使量化噪聲遠(yuǎn)離被采樣的音頻信號(hào)。離信號(hào)主頻fs越近,噪聲幅度越小。同時(shí)對(duì)抗混疊濾波器的要求大大降低，可以到達(dá)很高的精度。

圖3  PDM信號(hào)

數(shù)字麥克風(fēng)通常由5個(gè)引腳，分別是電源（VDD），地（GND），時(shí)鐘（CLK），數(shù)據(jù)（DAT）和通道選擇（L/R）。數(shù)字麥克風(fēng)接口芯片需要提供麥克風(fēng)電源（需要和系統(tǒng)電平匹配）和外部時(shí)鐘信號(hào)(1.024～3.074MHz)，數(shù)字麥克風(fēng)在獲取時(shí)鐘信號(hào)后，從省電狀態(tài)轉(zhuǎn)到正常工作狀態(tài)。拾取聲音信號(hào)過采樣轉(zhuǎn)換成脈沖密度調(diào)制（PDM）的數(shù)據(jù)流（信號(hào)幅度變化越劇烈，脈沖密度越密）送給處理芯片，芯片內(nèi)部的抽取濾波器（Decimator）下采樣（Down sample）并低通濾波，將高頻低位流的信號(hào)轉(zhuǎn)換成低頻高位流的PCM信號(hào)，同時(shí)濾除量化噪聲。PDM接口可以掛接兩個(gè)數(shù)字麥克，共享時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線，通過通道選擇（L/R）選擇時(shí)鐘高和低時(shí)是哪個(gè)通道的麥克風(fēng)。圖4為數(shù)字麥克風(fēng)的輸出信號(hào)。在時(shí)鐘為高時(shí)，L/R=0的麥克風(fēng)（MIC0）數(shù)據(jù)線保持高阻狀態(tài)，傳輸L/R=1的麥克風(fēng)（MIC1）的數(shù)據(jù)；在時(shí)鐘為低時(shí)，L/R=1的麥克風(fēng)（MIC1）數(shù)據(jù)線保持高阻狀態(tài)，傳輸L/R=0的麥克風(fēng)（MIC0）的數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)字麥克風(fēng)的輸出信號(hào)

數(shù)字麥克風(fēng)陣列在手機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用
2個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)使用同一組電源，電源電壓同語(yǔ)音處理芯片F(xiàn)M34-395（見圖5）。數(shù)字麥克風(fēng)陣列通過L/R引腳配置成成主麥克風(fēng)（L/R接地）和參考麥克風(fēng)（L/R接電源），拾取的近端信號(hào)經(jīng)過數(shù)字麥克風(fēng)放大并轉(zhuǎn)換成PDM信號(hào)連接到語(yǔ)音處理芯片F(xiàn)M34-395芯片。兩路麥克風(fēng)信號(hào)經(jīng)過下采樣裝換成16位的PCM信號(hào)，放大濾波以后進(jìn)行相關(guān)處理。

圖5 數(shù)字麥克風(fēng)陣列在MTK手機(jī)平臺(tái)典型應(yīng)用

手持模式下，根據(jù)數(shù)字麥克風(fēng)陣列拾取的近端信號(hào)差異，對(duì)近端語(yǔ)音做穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)噪聲抑制和線性回聲消除處理, 處理完成的信號(hào)經(jīng)過PCM引腳（TxDp）送到基帶芯片（PCM IN引腳）作為上行信號(hào)，送并產(chǎn)生側(cè)音送到受話器(Receiver)。下行信號(hào)通過基帶芯片（PCM OUT引腳）送到FM34-395的輸入引腳（RxDc），經(jīng)過噪聲抑制，并根據(jù)數(shù)字麥克風(fēng)陣列提供的噪聲信息判斷是否啟動(dòng)清晰語(yǔ)音引擎來亮化受話器(Receiver)的聲音，使用戶在噪聲環(huán)境下依然可以聽得清，同時(shí)作為回聲消除的參考信號(hào)。

免提模式下，根據(jù)麥克風(fēng)陣列拾取的回聲信號(hào)差異，對(duì)夾雜聲學(xué)回聲的近端語(yǔ)音進(jìn)行消除處理, 處理完的語(yǔ)音做穩(wěn)態(tài)噪聲抑制處理，輸出信號(hào)經(jīng)過PCM引腳（TxDp）送到基帶芯片（PCM IN引腳）作為上行信號(hào)。下行信號(hào)通過基帶芯片（PCM OUT引腳）送到FM34-395的輸入引腳（RxDc），經(jīng)過噪聲抑制，并根據(jù)數(shù)字麥克風(fēng)陣列提供的噪聲信息判斷是否啟動(dòng)清晰語(yǔ)音引擎來亮化受話器(Receiver)的聲音，使用戶在噪聲環(huán)境下依然可以聽得清，同時(shí)作為回聲消除的參考信號(hào)。

數(shù)字麥克風(fēng)陣列的擺放：主麥克風(fēng)擺在手機(jī)正面下方或下側(cè)面，就是盡量靠近使用者嘴部，參考麥克風(fēng)擺在手機(jī)背面上方或上側(cè)面，即是靠近使用者的耳朵，這樣在手持模式下近端語(yǔ)音數(shù)字麥克風(fēng)陣列的兩個(gè)麥克風(fēng)拾取的信號(hào)有足夠的差別，而較遠(yuǎn)的噪聲沒有差別，利用數(shù)字語(yǔ)音處理器FM34-395處理，就可以實(shí)現(xiàn)定向定距離拾音，抑制各種環(huán)境噪聲。

數(shù)字麥克風(fēng)陣列在筆記本電腦中的應(yīng)用
圖6為數(shù)字麥克風(fēng)陣列在筆記本電腦的典型應(yīng)用。通常數(shù)字麥克風(fēng)陣列和攝像頭模組一起，安裝在筆記本電腦顯示屏上方中央，這樣使用者在視頻聊天或通話時(shí)，聲源位于數(shù)字麥克風(fēng)陣列拾音束內(nèi)，可以傳送出去，而兩旁的噪聲位于拾音束外被抑制，實(shí)現(xiàn)清晰語(yǔ)音通信。陣列中的數(shù)字麥克風(fēng)，可以按10.5mm擺放作為小型數(shù)字麥克風(fēng)陣列，也可以采用距離70～210mm的寬陣列，根據(jù)麥克風(fēng)擺放配置相應(yīng)的軟件。

圖6 數(shù)字麥克風(fēng)陣列在筆記本電腦的典型應(yīng)用

數(shù)字麥克風(fēng)拾取轉(zhuǎn)換成PDM格式的信號(hào)通過線纜連接到筆記本電腦的高清音頻編解碼器（HD Audio Codec）聲卡的數(shù)字麥克風(fēng)接口，下采樣轉(zhuǎn)換成兩路音頻信號(hào)，送到位于高清音頻編解碼器驅(qū)動(dòng)層的小型麥克風(fēng)陣列處理軟件（SAMSoft）處理，實(shí)現(xiàn)噪聲抑制（Noise Suppression），回聲消除（Acoustic Echo Cancellation），遠(yuǎn)距離拾音（Far Field Pick Up）敲擊鍵盤噪聲抑制等功能。