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(1)模拟麦克风
ECM麦克风#xff1a;驻极体电容麦克风(ECM)#xff0c;典型的汽车ECM麦克风是一种将ECM单元与小型放大器电路整合在单个外壳中的装置。放大器提供一个模拟信号#xff0c;其电压电平允许…本文引注: https://zhuanlan.zhihu.com/p/652629744 1.麦克风的种类
(1)模拟麦克风
ECM麦克风驻极体电容麦克风(ECM)典型的汽车ECM麦克风是一种将ECM单元与小型放大器电路整合在单个外壳中的装置。放大器提供一个模拟信号其电压电平允许信号通过数米长的电线进行传输这也是典型汽车应用的要求。若不放大原始ECM信号对于如此长的电线来说太低由于电线上的电磁干扰信噪比(SNR)会降低过多。即使放大信号也需要屏蔽线缆——通常是双线电缆通过一个偏置电压(8V)为麦克风装置供电。
ECM的少数优点之一是其内置声学指向性通常将其调整为超心型极性图MEMS麦克风也可以做成指向的但通常需要更复杂的声学设计。通常可以实现10 dB或更多的后向衰减后向是指朝向挡风玻璃的方向从其中只会产生噪声即没有期望的信号例如讲话者的语音。
在期望信号的进入方向上具有更高灵敏度非常有利于提高SNR。然而定向ECM单元会引入不必要的副作用例如高通特性——灵敏度在较低频率时会降低。这种高通响应的3 dB截止频率通常在300 Hz至350 Hz范围内。在HF技术的早期这种高通特性是一个优势因为发动机噪声主要以较低频率存在发动机声音本身会经过麦克风衰减。然而自从宽带或HD通话出现以来这种高通特性开始成为一个问题。在宽带通话中有效带宽从300 Hz到3400 Hz增加为100 Hz至7000 Hz。麦克风的自身高通滤波特性使得有必要在后处理单元中放大100 Hz至300 Hz的信号而如果麦克风本身能提供更好的音频带宽则不需要放大此范围内的信号。
ECM技术的另一个缺点是不同器件的灵敏度和频率响应差异很大。ECM的制造公差相对较大这对于单个麦克风应用可能不是问题。但是如果在间距较小的麦克风阵列应用中部署多个麦克风信号则麦克风之间的严格匹配对于实现优质阵列性能至关重要。在这种情况下ECM难以使用。此外从物理尺寸角度看传统ECM单元一般不适合于小型麦克风阵列。
麦克风阵列具有广泛的适用性包括在车内因为与传统ECM相比阵列能提供类似常常更优越的定向性能。关于声音冲击方向的空间信息可以使用阵列中分组的两个或更多个合适的麦克风来从麦克风信号中提取。这类算法常被称为波束成型(BF)。
波束成型一词源自与相控阵天线技术的类比利用简单的纯线性滤波器和求和算法可以将天线阵列发射的无线电波束聚焦在某个方向上。虽然麦克风阵列中没有这样的波束但波束成型这一术语在麦克风信号处理领域也很常见相比于简单的线性波束成型处理它涵盖了更广泛的线性和非线性算法支持实现更高的性能和更大的灵活性。
除了波束成型处理之外原始麦克风信号几乎总是需要后处理因为每个HF麦克风都会同时捕获期望的语音信号和环境若座舱中的干扰。风噪、路噪和发动机噪声会降低SNR通过扬声器播放的信号——通常称为扬声器回波——也是不需要的信号源。为了减少这种干扰并改善语音质量需要采用复杂的数字信号处理技术常常称之为回声消除和降噪(AEC/NR)。
AEC从麦克风中消除扬声器声音否则它会作为在线路另一端讲话的人声的回声传输。NR则在降低恒常存在的行驶噪声的同时提高所传输信号的SNR。虽然国际电信联盟(ITU)发布了详细规范例如ITU-T P.1100和P.1110来定义HF系统的许多性能细节但在行驶车辆中通话时如果AEC/NR处理达不到标准人们对通信质量的主观印象可能不会满意。与前面提到的BF算法一起AEC/NR/BF的组合赋能广泛的新型应用所有这些应用都与某种程度的数字音频信号处理相关。为了支持这些应用需要新一代消除了传统ECM缺点的麦克风技术。
模拟麦克风的接口通常为模拟信号输入如下图所示 对于模拟麦克风来说它输出的是模拟音频信号但是在进入ADC之前需要有MIC BIAS(偏置电压)这样才能将模拟麦克风的输出信号接入系统中。同时由于ECM麦克风的输出信号较小因此需要有一个前置放大器才能顺利地接入ADC。通常情况下选择合适的ADC可以提供MIC BIAS和PreAMP即可顺利地接入ECM麦克风。
(2)数字麦克风
MEMS麦克风微机电系统(MEMS)技术迅速成为麦克风的新行业标准因为相比传统ECM它提供了许多优势。首先MEMS使得声音传感器比现有ECM单元要小得多。此外将MEMS传感器与模数转换器(ADC)集成在单个IC中所得到的数字麦克风能够提供可立即进行AEC/NR/BF(波束成型用于麦克风阵列)处理的信号。
模拟接口MEMS麦克风也存在但其具有与模拟ECM相同的许多缺点而且若使用传统双线模拟接口工作甚至需要比ECM更复杂的放大器电路。只有采用全数字接口技术才能显著减轻模拟线路固有的干扰和SNR问题。此外从生产角度看MEMS也占优。因为MEMS麦克风的生产规格偏差比ECM单元要小得多这对于BF算法很重要。最后MEMS IC麦克风的制造工艺大大简化因为可以采用自动化安装技术整体生产成本得以降低。从应用角度看更小的尺寸是最大的优势并且由于声音入口非常小MEMS麦克风阵列实际上可以做成不可见的。
传感器的入口和声音通道要求在设计和生产质量方面特别小心。如果声学密封不牢来自内部结构的噪声可能到达传感器两个传感器之间的泄漏可能降低BF算法的性能。与可以设计和制造成全向或定向的典型ECM单元不同MEMS麦克风元件几乎总是制造成全向式即声音接收没有内在方向性。因此MEMS麦克风是忠实于相位的全向声压传感器为高级BF算法提供理想的信号衰减方向和波束宽度可以由用户通过软件进行配置。
对于数字麦克风来说它输出的信号就是数字信号因此无需在数据通路上再集成ADC也避免了模拟音频通道线直接在PCB板上采用数字音频接口即可。如下图所示
2.数字音频接口
一般来说在PCB板内部芯片之间使用的音频信号传输接口有I2STDMPCMPDM等在PCB板间长距离需要使用电缆传输的有AVBA2BSPDIF等总线。
(1) I2S
I2S(Inter—IC Sound)总线, 又称集成电路内置音频总线是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。
I2S是简单的总线协议它用于成对设备之间的音频数据传输。一个为master另一个为slave。主从设备的区别在于谁主动发起数据传输能提供时钟信号的即为master。数据可以从master发送到slave也可以从slave发送到master。
在I2S协议中有3个主要信号 1.串行时钟SCLK也叫位时钟Bit CLK即对应数字音频的每一位数据SCLK都有1个脉冲。SCLK的频率2×采样频率×采样位数。 2. 帧时钟LRCK也称左右声道选择信号Word Select(WS)用于切换左右声道的数据。LRCK为“1”表示正在传输的是右声道的数据为“0”则表示正在传输的是左声道的数据。LRCK的频率等于采样频率。 3.串行数据SDATA音频数据 SD。
SD是串行数据在I2S中以二进制补码的形式在数据线上传输。在WS变化后的第一个SCK脉冲先传输最高位MSB, Most Significant Bit。
SD数据线可以为1根或者多根。当只有1根时可单向传输双声道称为SDOUT如果是2根可双向传输每根信号线传输双声道分别为SDIN和SDOUT。也可以增加到4根SD信号线此时可以双向传输4通道音频。
2S数据的计算 例如设声音的采样频率为44.1 kHz即声道选择信号帧时钟WS的频率必须也为44.1 kHz左/右2个声道的量化深度均为16 bit则I2S的SCK的频率为44.1 kHz×16×21.4112 MHz。
如果需要传输20 bit、24 bit或32 bit的左右声道的数据可以提高SCK的频率由上式可以计算出需要的SCK的频率。
(2)PCM
PCMPulse Code Modulation脉冲编码调制是数字通信的编码方式之一。在PCM 过程中将输入的模拟信号进行采样、量化和编码用二进制进行编码的数来代表模拟信号的幅度 接收端再将这些编码还原为原来的模拟信号。即数字音频的 A/D 转换包括三个过程 采样量化编码。
1.采样 采样是把模拟信号以其信号带宽2倍以上的频率提取样值变为在时间轴上离散的抽样信号的过程。例如话音信号带宽被限制在0.33.4kHz内用 8kHz的抽样频率fs就可获得能取代原来连续话音信号的抽样信号。对一个正弦信号进行抽样获得的抽样信号是一个脉冲幅度调制PAM信号对抽样信号进行检波和平滑滤波即可还原出原来的模拟信号。
2.量化 抽样信号虽然是时间轴上离散的信号但仍然是模拟信号其样值在一定的取值范围内可有无限多个值。显然对无限个样值一一给出数字码组来对应是不可能的。为了实现以数字码表示样值必须采用“四舍五入”的方法把样值分级“取整”使一定取值范围内的样值由无限多个值变为有限个值。这一过程称为量化。
量化后的抽样信号与量化前的抽样信号相比较当然有所失真且不再是模拟信号。这种量化失真在接收端还原模拟信号时表现为噪声并称为量化噪声。量化噪声的大小取决于把样值分级“取整”的方式分的级数越多即量化级差或间隔越小量化噪声也越小。
3.编码 量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值且信号正、负幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等正、负向的量化级对称分布。若将有限个 量化样值的绝对值从小到大依次排列并对应地依次赋予一个十进制数字代码例如赋予样值0的十进制数字代码为0在码前以“”、“”号为前缀来 区分样值的正、负则量化后的抽样信号就转化为按抽样时序排列的一串十进制数字码流即十进制数字信号。简单高效的数据系统是二进制码系统因此应将十进制数字代码变换成二进制编码。根据十进制数字代码的总个数可以确定所需二进制编码的位数即字长。这种把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码。 在I2S接口上传输的数字音频信号也正是PCM类型的编码。
PCM接口与I2S相似电路信号包括 1.PCM_CLK 数据时钟信号 2.PCM_SYNC 帧同步时钟信号 3.PCM_IN 接收数据信号 4.PCM_OUT 发送数据信号
(3)TDM
TDM (Time Division Multiplexing) 是指通过时分复用的方式在一个物理通道上传输多路PCM音频数据的方式。一般来说I2S接口只能传输双声道而TDM可以传输16路甚至32路数据。
TDM的物理数据通道与PCM或I2S一样也是采用4根信号线用于数据传输只是在采样率数据位宽以及通道数上具有不同的参数。
音频TDM通过使用BLCK作为位时钟信号来确定数据传输的时钟速率和时序。Frame Sync信号用于标识音频帧的开始和结束确保正确地组合和解析音频数据。Data IN和Data OUT信号引脚用于输入和输出音频数据实现多路音频信号的合并和传输。
BLCKBit ClockBLCK引脚是音频TDM中的时钟信号引脚。在每个BLCK时钟周期内只能传输一个数据位。BLCK信号的频率决定了数据传输的速率每个数据位在一个时钟周期内进行传输。发送端在每个时间槽中依次填充数据位并在每个BLCK时钟周期根据BLCK信号的边沿将数据位传输出去。接收端根据BLCK信号的时钟边沿来采样和解析数据位以还原音频信号。 Frame Sync帧同步)Frame Sync引脚用于标识数据帧的开始和结束。在音频TDM中多个slot被组合成一个完整的音频帧。Frame Sync信号的状态变化指示一个新的音频帧的开始。接收端根据Frame Sync信号来识别和解析每个slot的数据并将其组合成原始的音频信号。 SD IN引脚SD IN引脚是用于输入音频数据的引脚。 SD OUT引脚SD OUT引脚是用于输出音频数据的引脚。 在I2S中通过WS引脚来区分左右声道每个样本由左右声道交替传输。而在TDM中通过Frame Sync信号来标识音频帧的开始和结束一个音频帧可以包含多个slot。在TDM传输时需要配置slot的个数采样频率采样数据的位宽即可得出TDM的系统时钟速率或者说可传输的数据带宽。
例如Frame Sync的频率等于音频的采样率例如44.1 kHz48 kHz等。Frame每次传输包括所有声道的数据。PCM采样音频数据量化深度一般在1624or 32bit。那么对于16个声道每个声道32bit音频数据采样率48kHz的系统TDM的BCLK系统时钟速率为16 × 32 × 48kHz 24.576 MHz。
(4)PDM
PDMPulse Density Modulation是一种用数字信号表示模拟信号的调制方法。同为将模拟量转换为数字量的方法PCM使用等间隔采样方法将每次采样的模拟分量幅度表示为N位的数字分量N 量化深度因此PCM方式每次采样的结果都是N bit字长的数据。PDM则使用远高于PCM采样率的时钟采样调制模拟分量只有1位输出要么为0要么为1。因此通过PDM方式表示的数字音频也被称为Oversampled 1-bit Audio。相比PDM一连串的0和1PCM的量化结果更为直观简单。
如下图所示PDM的采样输出为 PCM方式的逻辑更加简单但需要用到数据时钟采样时钟和数据信号三根信号线PDM方式的逻辑相对复杂但它只需要两根信号线即时钟和数据。在数字麦克风领域应用最广的就是PDM接口其次为I2S接口。
通过PDM接口方式传输双声道数据只要用到两根信号线。如下图所示两个PDM接口的发送设备与同一个接收设备的连接情况比如Source 1/2分别作为左右声道的麦克风通过这种方式可以将采集到的双声道数据传送到接收设备。主设备此例中作为接收设备为两个从设备提供时钟分别在时钟的上升沿和下降沿触发选择Source 1/2作为数据输入。
