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單個(gè)孤立麥克風(fēng)作為傳統的語(yǔ)音拾取工具，在噪聲處理、聲源定位和跟蹤，語(yǔ)音增強等方面存在不足，在噪聲環(huán)境下會(huì )嚴重影響語(yǔ)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(yǔ)音的信噪比。但是實(shí)際應用中，多通道的語(yǔ)音實(shí)時(shí)采集是一個(gè)尚待解決的問(wèn)題。本文基于此出發(fā)點(diǎn)，采用四個(gè)ADMP441 MEMS 數字麥克風(fēng)，使用BF533 DSP 作為主控，組成一個(gè)4 聲道的語(yǔ)音實(shí)時(shí)采集系統，在時(shí)頻域的基礎上增加一個(gè)空間域，以便對來(lái)自空間不同方向的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，彌補了傳統單聲道的缺陷。 MEMS（微型機電系統） 麥克風(fēng)是基于MEMS 技術(shù)制造的麥克風(fēng)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是一個(gè)電容器集成在微硅晶片上，可以采用表貼工藝進(jìn)行制造, 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。本文采用的四個(gè)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(fēng)。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(yè)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(wú)需使用音頻編解碼器，在體積和功耗方面具有普通mic 采集方案無(wú)法比擬的優(yōu)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，并且提供更清晰語(yǔ)音質(zhì)量，具有較高實(shí)用價(jià)值。MEMS麥克風(fēng)的全部潛能還有待挖掘，但是采用這種技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)在多種應用中體現出了諸多優(yōu)勢，比如中高端手機應用和人工耳蝸助聽(tīng)器。 本文采用的主控芯片ADSP-BF533 是主頻高達600 MHz 高性能Blackfin 處理器，內核包括：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 式寄存器和指令模型，編程簡(jiǎn)單，編譯環(huán)境友好，具有先進(jìn)的調試、跟蹤和性能監視功能。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，十分適合多通道的語(yǔ)音信號采集和處理。 1 硬件系統設計 該硬件系統主要包括4 路MEMS 麥克風(fēng)構成的陣列、麥克風(fēng)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(fēng)陣列部署 由于多數麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強采用波束成型（Beamforming）技術(shù)，根據理論，我們得到的波形可以表達為 其中wn(f) 為權重系數， 為相對第0 個(gè)陣子的相位差，n 為麥克風(fēng)數量。由上式我們可以得出麥克風(fēng)數量和間距的關(guān)系以及排布，如圖2 和圖3： 由圖2、圖3 我們知道，經(jīng)典應用中，麥克風(fēng)間距為40mm，數量為3-10 個(gè)麥克風(fēng)。本文采用4 個(gè)麥克風(fēng)排列為間隔40mm 的線(xiàn)陣布局。 圖2：麥克風(fēng)數量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數據處理模塊 本文采用的BF533 DSP 數據處理模塊。其 中，BF533 通過(guò)SPORT 接口與前端的MEMS 麥克風(fēng)I2S 接口相連，并利用SPORT接口數據傳輸速度快、傳輸量大， 且不占用CPU 時(shí)鐘周期的特點(diǎn)，將采集數據轉存至BF533 的片內存儲空間。本系統采用了一個(gè) USB1.1 標準的 USB 設備芯片，其型號為PDIUSBD12, 該芯片有 6 個(gè)數據傳輸斷點(diǎn)，其控制命令簡(jiǎn)單，寄存器少，適合于簡(jiǎn)單USB信息傳輸。BF533 處理器通過(guò) EBIU 接口的BANK3 連接 PDIUSBD12 芯片，通過(guò) CPLD為其分配訪(fǎng)問(wèn)地址，通過(guò) CPLD 的 USB_DAT寄存器和USB_CMD 寄存器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，完成DSP 與PC 機平臺間的USB 數據傳輸。 1.3 MEMS數字麥克風(fēng)與DSP數據處理模塊接口設計 圖4 所示電路允許兩個(gè)數字MEMS 麥克風(fēng)通過(guò)單條數據線(xiàn)與一個(gè)DSP 接口。由于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(gè)DSPBF533 理論上最多支持八個(gè)ADMP441。 圖4：MEMS 麥克風(fēng)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(fēng)連接到ADSP-BF533 的SPORT0,SPORT1 數據輸入引腳。本電路需要的無(wú)源元件只有電容和電阻：每個(gè)ADMP441需要一個(gè)0.1 μF 旁路電容；SD 線(xiàn)路上需要一個(gè)大下拉電阻(100 kΩ)，用以在A(yíng)DMP441 的輸出驅動(dòng)器處于三態(tài)時(shí)給電容放電。旁路電容應盡可能靠近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 應由相同的電源供電。雖然ADMP441 可以采用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(shí)現I2S 數據流，ADMP441 與BF533 之間必須連接三個(gè)信號：幀時(shí)鐘、位時(shí)鐘和數據。BF533 為系統時(shí)鐘，并生成兩個(gè)I2S 時(shí)鐘。 此 電路展示麥克風(fēng)連接到Blackfin 的SPORT0 單個(gè)數據輸入端。BF533 的兩個(gè)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。 1.4 PC機平臺 DSP 數據處理模塊通過(guò)USB 接口與PC機相連，通過(guò)PDIUSBD12，將前端采集的數據傳輸到PC 機，方便對數據的進(jìn)一步處理。 2 軟件系統設計 2.1 語(yǔ)音采集系統軟件設計 硬件搭建完成后，我們接下來(lái)介紹軟件系統的編寫(xiě)，如圖5 所示。 （1）首先，我們通過(guò)配置以上介紹的寄存器來(lái)初始化系統時(shí)鐘和USB 傳輸模塊。 （2） 接下來(lái)分別通過(guò)配置BF533 的IAR0，IAR1，IAR2 寄存器來(lái)使能數據接收中斷。 （3） 通過(guò)配置相應寄存器來(lái)初始化SPORT0，SPORT1 以及DMA_SPORT0，DMA_SPORT1 （4）初始化完畢后，系統便開(kāi)始采集語(yǔ)音，我們通過(guò)DMA 中斷，讀取采集到的一幀四通道語(yǔ)音數據，接著(zhù)送入USB 輸出端，將該幀語(yǔ)音傳入PC 端進(jìn)行后續處理�；蛘呶覀円部梢栽贒SP 端實(shí)現一些降噪算法或者波束成型算法，完成語(yǔ)音的增強處理，將增強后的單通道語(yǔ)音信號送入后端進(jìn)行后續的數據處理工作。 （5）在采集完畢后，我們等待下一次的中斷產(chǎn)生，進(jìn)行下一幀的語(yǔ)音數據采集處理。 圖5 2.2 PC機平臺應用程序設計 PC 端接口程序采用VC++6．0 編寫(xiě)，首先調用OpenDriver() 打開(kāi)USB 接口設備， 獲得設備的句柄hDevice， 之后調用Sx2SendVendorReq() 函數向外設發(fā)出命令，讀取USB 配置，最后調用Sx2BulkdataTrans() 進(jìn)行數據傳輸，通過(guò)調用CFile 類(lèi)將接收到的數據存放在文本文件中。程序使用多線(xiàn)程技術(shù)，使得應用程序將USB 數據傳輸在后臺進(jìn)行處理，應用程序前臺還可進(jìn)行其他操作。 3 總結 本文介紹了一個(gè)基于MEMS 數字 MIC 陣列的語(yǔ)音采集系統，研究了該數字麥克風(fēng)陣列與DSP 以及PC 端的連接方法，并探討了此系列數字信號麥克風(fēng)與DSP 進(jìn)行通訊的方法以及平臺軟件設計。經(jīng)平臺電路評估與測試，本系統能實(shí)時(shí)同步采集4 路語(yǔ)音信號，并且將4路語(yǔ)音數據同步輸出到PC 端進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，構建了多通道語(yǔ)音增強系統的硬件條件，為后續算法開(kāi)發(fā)和應用奠定了基礎，具有實(shí)用價(jià)值。 |
