基於MEMS麥克風陣列的四通道語音採集系統設計

2020-11-27 OFweek維科網

　　單個孤立麥克風作為傳統的語音拾取工具，在噪聲處理、聲源定位和跟蹤，語音增強等方面存在不足，在噪聲環境下會嚴重影響語音質量。一些文章探討了多通道麥克風的降噪技術，在理論上提高了噪聲環境下語音的信噪比。但是實際應用中，多通道的語音實時採集是一個尚待解決的問題。本文基於此出發點，採用四個ADMP441 MEMS 數字麥克風，使用BF533 DSP 作為主控，組成一個4 聲道的語音實時採集系統，在時頻域的基礎上增加一個空間域，以便對來自空間不同方向的信號進行實時處理，彌補了傳統單聲道的缺陷。

　　MEMS（微型機電系統） 麥克風是基於MEMS 技術製造的麥克風，簡單的說就是一個電容器集成在微矽晶片上，可以採用表貼工藝進行製造, 能夠承受很高的回流焊溫度，容易與 CMOS 工藝及其它音頻電路相集成。本文採用的四個ADMP4411 是一款高性能、低功耗、數字輸出、提供底部收音孔的全向MEMS 麥克風。完整的ADMP441 解決方案由MEMS傳感器、信號調理電路、模數轉換器、抗混疊濾波器、電源管理和業界標準24-bitI2S 接口組成。ADMP441 利用I2S 接口與數字處理器( 例如：DSP、微控制器) 直接相連，因此，在系統中無需使用音頻編解碼器，在體積和功耗方面具有普通mic 採集方案無法比擬的優勢，系統可以很方便的嵌入到對功耗和體積敏感的可穿戴式設備中，並且提供更清晰語音質量，具有較高實用價值。MEMS麥克風的全部潛能還有待挖掘，但是採用這種技術的產品已經在多種應用中體現出了諸多優勢，比如中高端手機應用和人工耳蝸助聽器。

　　本文採用的主控晶片ADSP-BF533 是主頻高達600 MHz 高性能Blackfin 處理器，內核包括：2 個 16 位 MAC，2 個 40 位 ALU，4 個 8 位視頻 ALU，以及 1 個 40 位移位器RISC 式寄存器和指令模型，編程簡單，編譯環境友好，具有先進的調試、跟蹤和性能監視功能。並且晶片具有2 個雙通道全雙工同步串行接口，支持 8 個立體聲 I2S 通道，十分適合多通道的語音信號採集和處理。

　　1 硬體系統設計

　　該硬體系統主要包括4 路MEMS 麥克風構成的陣列、麥克風外圍電路、DSP 數據處理模塊、USB 通訊模塊、PC 機組成。

　　1.1 麥克風陣列部署

　　由於多數麥克風陣列語音增強採用波束成型（Beamforming）技術，根據理論，我們得到的波形可以表達為

　　其中wn(f) 為權重係數， 為相對第0 個陣子的相位差，n 為麥克風數量。由上式我們可以得出麥克風數量和間距的關係以及排布，如圖2 和圖3：

　　由圖2、圖3 我們知道，經典應用中，麥克風間距為40mm，數量為3-10 個麥克風。本文採用4 個麥克風排列為間隔40mm 的線陣布局。

　　圖2：麥克風數量N 與波形的關係

　　圖3：麥克風間距與波形的關係

　　1.2 DSP數據處理模塊

　　本文採用的BF533 DSP 數據處理模塊。其 中，BF533 通過SPORT 接口與前端的MEMS 麥克風I2S 接口相連，並利用SPORT接口數據傳輸速度快、傳輸量大， 且不佔用CPU 時鐘周期的特點，將採集數據轉存至BF533 的片內存儲空間。本系統採用了一個 USB1.1 標準的 USB 設備晶片，其型號為PDIUSBD12, 該晶片有 6 個數據傳輸斷點，其控制命令簡單，寄存器少，適合於簡單USB信息傳輸。BF533 處理器通過 EBIU 接口的BANK3 連接 PDIUSBD12 晶片，通過 CPLD為其分配訪問地址，通過 CPLD 的 USB_DAT寄存器和USB_CMD 寄存器進行訪問，完成DSP 與PC 機平臺間的USB 數據傳輸。

　　1.3 MEMS數字麥克風與DSP數據處理模塊接口設計

　　圖4 所示電路允許兩個數字MEMS 麥克風通過單條數據線與一個DSP 接口。由於BF533 有2 路SPORT 接口，最多可以設置四路串行數據輸入，因此單個DSPBF533 理論上最多支持八個ADMP441。

　　圖4：MEMS 麥克風與Blackfin DSP 的連接（原理示意圖：未顯示所有連接）

　　電路描述：

　　ADMP441 麥克風連接到ADSP-BF533 的SPORT0,SPORT1 數據輸入引腳。本電路需要的無源元件只有電容和電阻：每個ADMP441需要一個0.1 μF 旁路電容；SD 線路上需要一個大下拉電阻(100 kΩ)，用以在ADMP441 的輸出驅動器處於三態時給電容放電。旁路電容應儘可能靠近ADMP441 VDD 引腳（引腳7）放置。麥克風的VDD 與BF533 的2.25 V至3.3 V VDDEXT 應由相同的電源供電。雖然ADMP441 可以採用1.8 V 至3.3 V 的VDD工作，但ADSP-BF527 的VDDEXT 必須至少是2.25 V。為實現I2S 數據流，ADMP441 與BF533 之間必須連接三個信號：幀時鐘、位時鐘和數據。BF533 為系統時鐘，並生成兩個I2S 時鐘。

　　此電路展示麥克風連接到Blackfin 的SPORT0 單個數據輸入端。BF533 的兩個SPORT 各具有兩組數據接收引腳，因此最多可提供八通道I2S 音頻輸入。

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    (Microphone Array)：其實就是一個聲音採集的系統，該系統使用多個麥克風採集來自於不同空間方向的聲音。從字面上，指的是麥克風的排列。也就是說由一定數目的聲學傳感器(一般是麥克風)組成，用來對聲場的空間特性進行採樣並處理的系統。早在20世紀70、80年代，麥克風陣列已經被應用於語音信號處理的研究中，進入90年代以來，基於麥克風陣列的語音信號處理算法逐漸成為一個新的研究熱點。而到了「聲控時代」，這項技術的重要性顯得尤為突出。
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    也就是說由一定數目的聲學傳感器(一般是麥克風)組成，用來對聲場的空間特性進行採樣並處理的系統。 　　早在20世紀70、80年代，麥克風陣列已經被應用於語音信號處理的研究中，進入90年代以來，基於麥克風陣列的語音信號處理算法逐漸成為一個新的研究熱點。而到了「聲控時代」，這項技術的重要性顯得尤為突出。 　　麥克風陣列能幹什麼?
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