基于MEMS麥克風(fēng)陣列的四通道語音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于mems麥克風(fēng)陣列的四通道語音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)單個(gè)孤立麥克風(fēng)作為傳統(tǒng)的語音拾取工具，在噪聲處理、聲源定位和跟蹤，語音增加等方面存在不足，在噪聲環(huán)境下會(huì)嚴(yán)峻影響語音質(zhì)量。一些文章探討了多通道麥克風(fēng)的降噪技術(shù)，在理論上提高了噪聲環(huán)境下語音的信噪比。但是實(shí)際應(yīng)用中，多通道的語音實(shí)時(shí)采集是一個(gè)尚待解決的問題。本文基于此動(dòng)身點(diǎn)，采納四個(gè)admp441 數(shù)字麥克風(fēng)，用法bf533 作為主控，組成一個(gè)4 聲道的語音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，在時(shí)頻域的基礎(chǔ)上增強(qiáng)一個(gè)空間域，以便對來自空間不同方向的信號舉行實(shí)時(shí)處理，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單聲道的缺陷。mems（微型機(jī)電系統(tǒng)） 麥克風(fēng)是基于mems 技術(shù)創(chuàng)造的麥克風(fēng)，容易的說就是一個(gè)器

2、集成在微硅晶片上，可以采納表貼工藝舉行創(chuàng)造, 能夠承受很高的回流焊溫度，簡單與 工藝及其它音頻相集成。本文采納的四個(gè)admp4411 是一款高性能、低功耗、數(shù)字輸出、提供底部收音孔的全向mems 麥克風(fēng)。完整的admp441 解決計(jì)劃由mems、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、抗混疊、和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)24-biti2s 接口組成。admp441 利用i2s 接口與數(shù)字處理器( 例如：dsp、微控制器) 挺直相連，因此，在系統(tǒng)中無需用法音頻編，在體積和功耗方面具有一般mic 采集計(jì)劃無法比擬的優(yōu)勢，系統(tǒng)可以很便利的嵌入到對功耗和體積敏感的可穿戴式設(shè)備中，并且提供更清楚語音質(zhì)量，具有較高有用價(jià)值。mems麥克

3、風(fēng)的所有潛能還有待挖掘，但是采納這種技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)在多種應(yīng)用中體現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢，比如中高端手機(jī)應(yīng)用和人工耳蝸助聽器。本文采納的主控芯片adsp-bf533 是主頻高達(dá)600 mhz 高性能blackfin 處理器，內(nèi)核包括：2 個(gè) 16 位 mac，2 個(gè) 40 位 alu，4 個(gè) 8 位視頻 alu，以及 1 個(gè) 40 位移位器risc 式寄存器和命令模型，編程容易，編譯環(huán)境友好，具有先進(jìn)的調(diào)試、跟蹤和性能監(jiān)視功能。并且芯片具有2 個(gè)雙通道全雙工同步串行接口，支持 8 個(gè)立體聲 i2s 通道，非常適合多通道的語音信號采集和處理。1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)該硬件系統(tǒng)主要包括4 路mems 麥克風(fēng)構(gòu)成的陣

4、列、麥克風(fēng)外圍電路、dsp 數(shù)據(jù)處理模塊、 通訊模塊、pc 機(jī)組成。1.1 麥克風(fēng)陣列部署因?yàn)槎鄶?shù)麥克風(fēng)陣列語音增加采納波束成型（beamforming）技術(shù)，按照理論，我們得到的波形可以表達(dá)為其中wn(f) 為權(quán)重系數(shù)， 為相對第0 個(gè)陣子的相位差，n 為麥克風(fēng)數(shù)量。由上式我們可以得出麥克風(fēng)數(shù)量和間距的關(guān)系以及排布，2 和圖3：由圖2、圖3 我們知道，經(jīng)典應(yīng)用中，麥克風(fēng)間距為40mm，數(shù)量為3-10 個(gè)麥克風(fēng)。本文采納4 個(gè)麥克風(fēng)羅列為間隔40mm 的線陣布局。圖2：麥克風(fēng)數(shù)量n 與波形的關(guān)系圖3：麥克風(fēng)間距與波形的關(guān)系1.2 dsp數(shù)據(jù)處理模塊本文采納的bf533 dsp 數(shù)據(jù)處理模塊。其

5、 中，bf533 通過sport 接口與前端的mems 麥克風(fēng)i2s 接口相連，并利用sport接口數(shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸量大， 且不占用cpu 時(shí)鐘周期的特點(diǎn)，將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至bf533 的片內(nèi)存儲(chǔ)空間。本系統(tǒng)采納了一個(gè) usb1.1 標(biāo)準(zhǔn)的 usb 設(shè)備芯片，其型號為pdiusbd12, 該芯片有 6 個(gè)數(shù)據(jù)傳輸斷點(diǎn)，其控制指令容易，寄存器少，適合于容易u(yù)sb信息傳輸。bf533 處理器通過 ebiu 接口的bank3 銜接 pdiusbd12 芯片，通過 為其分配拜訪地址，通過 cpld 的 usb_dat寄存器和usb_cmd 寄存器舉行拜訪，完成dsp 與pc 機(jī)平臺(tái)間的usb 數(shù)據(jù)傳

6、輸。1.3 mems數(shù)字麥克風(fēng)與dsp數(shù)據(jù)處理模塊接口設(shè)計(jì)圖4 所示電路允許兩個(gè)數(shù)字mems 麥克風(fēng)通過單條數(shù)據(jù)線與一個(gè)dsp 接口。因?yàn)閎f533 有2 路sport 接口，最多可以設(shè)置四路串行數(shù)據(jù)輸入，因此單個(gè)dspbf533 理論上最多支持八個(gè)admp441。圖4：mems 麥克風(fēng)與blackfin dsp 的銜接（原理暗示圖：未顯示全部銜接）電路描述：admp441 麥克風(fēng)銜接到adsp-bf533 的sport0,sport1 數(shù)據(jù)輸入引腳。本電路需要的無源元件惟獨(dú)電容和：每個(gè)admp441需要一個(gè)0.1 f 旁路電容；sd 線路上需要一個(gè)大下拉電阻(100 k)，用以在admp44

7、1 的輸出驅(qū)動(dòng)器處于三態(tài)時(shí)給電容放電。旁路電容應(yīng)盡可能逼近admp441 vdd 引腳（引腳7）放置。麥克風(fēng)的vdd 與bf533 的2.25 v至3.3 v vddext 應(yīng)由相同的電源供電。雖然admp441 可以采納1.8 v 至3.3 v 的vdd工作，但adsp-bf527 的vddext 必需起碼是2.25 v。為實(shí)現(xiàn)i2s 數(shù)據(jù)流，admp441 與bf533 之間必需銜接三個(gè)信號：幀時(shí)鐘、位時(shí)鐘和數(shù)據(jù)。bf533 為系統(tǒng)時(shí)鐘，并生成兩個(gè)i2s 時(shí)鐘。此 電路展示麥克風(fēng)銜接到blackfin 的sport0 單個(gè)數(shù)據(jù)輸入端。bf533 的兩個(gè)sport 各具有兩組數(shù)據(jù)接收引腳，因

8、此最多可提供八通道i2s 音頻輸入。1.4 pc機(jī)平臺(tái)dsp 數(shù)據(jù)處理模塊通過usb 接口與pc機(jī)相連，通過pdiusbd12，將前端采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絧c 機(jī)，便利對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 語音采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)硬件搭建完成后，我們接下來介紹軟件系統(tǒng)的編寫，5 所示。（1）首先，我們通過配置以上介紹的寄存器來初始化系統(tǒng)時(shí)鐘和usb 傳輸模塊。（2） 接下來分離通過配置bf533 的iar0，iar1，iar2 寄存器來使能數(shù)據(jù)接收中斷。（3） 通過配置相應(yīng)寄存器來初始化sport0，sport1 以及dma_sport0，dma_sport1（4）初始化完畢后，系統(tǒng)便開頭采集語

9、音，我們通過dma 中斷，讀取采集到的一幀四通道語音數(shù)據(jù)，接著送入usb 輸出端，將該幀語音傳入pc 端舉行后續(xù)處理?；蛘呶覀円部梢栽赿sp 端實(shí)現(xiàn)一些降噪算法或者波束成型算法，完成語音的增加處理，將增加后的單通道語音信號送入后端舉行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。（5）在采集完畢后，我們等待下一次的中斷產(chǎn)生，舉行下一幀的語音數(shù)據(jù)采集處理。圖52.2 pc機(jī)平臺(tái)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)pc 端接口程序采納vc+60 編寫，首先調(diào)用opendriver() 打開usb 接口設(shè)備， 獲得設(shè)備的句柄hdevice， 之后調(diào)用sx2sendvendorreq() 函數(shù)向外設(shè)發(fā)出指令，讀取usb 配置，最后調(diào)用sx2bulkdatatrans() 舉行數(shù)據(jù)傳輸，通過調(diào)用cfile 類將接收到的數(shù)據(jù)存放在文本文件中。程序用法多線程技術(shù)，使得應(yīng)用程序?qū)sb 數(shù)據(jù)傳輸在后臺(tái)舉行處理，應(yīng)用程序前臺(tái)還可舉行其他操作。3 總結(jié)本文介紹了一個(gè)基于mems 數(shù)字 mic 陣列的語音采集系統(tǒng)，討論了該數(shù)字麥克風(fēng)陣列與dsp 以及pc