|
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，多通道的語音實時采集是一個尚待解決的問題。本文基于此出發點，采用四個ADMP441 MEMS 數字麥克風，使用BF533 DSP 作為主控，組成一個4 聲道的語音實時采集系統，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） 麥克風是基于MEMS 技術制造的麥克風，簡單的說就是一個電容器集成在微硅晶片上，可以采用表貼工藝進行制造, 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 采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，并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，但是采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 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。并且芯片具有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 由于多數麥克風陣列語音增強采用波束成型（Beamforming）技術，根據理論，我們得到的波形可以表達為 其中wn(f) 為權重系數， 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系以及排布，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。本文采用4 個麥克風排列為間隔40mm 的線陣布局。 圖2：麥克風數量N 與波形的關系 圖3：麥克風間距與波形的關系 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SPORT 接口與前端的MEMS 麥克風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 時鐘周期的特點，將采集數據轉存至BF533 的片內存儲空間。本系統采用了一個 USB1.1 標準的 USB 設備芯片，其型號為PDIUSBD12, 該芯片有 6 個數據傳輸斷點，其控制命令簡單，寄存器少，適合于簡單USB信息傳輸。BF533 處理器通過 EBIU 接口的BANK3 連接 PDIUSBD12 芯片，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 的輸出驅動器處于三態時給電容放電。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，并生成兩個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。 1.4 PC機平臺 DSP 數據處理模塊通過USB 接口與PC機相連，通過PDIUSBD12，將前端采集的數據傳輸到PC 機，方便對數據的進一步處理。 2 軟件系統設計 2.1 語音采集系統軟件設計 硬件搭建完成后，我們接下來介紹軟件系統的編寫，如圖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時鐘和USB 傳輸模塊。 （2） 接下來分別通過配置BF533 的IAR0，IAR1，IAR2 寄存器來使能數據接收中斷。 （3） 通過配置相應寄存器來初始化SPORT0，SPORT1 以及DMA_SPORT0，DMA_SPORT1 （4）初始化完畢后，系統便開始采集語音，我們通過DMA 中斷，讀取采集到的一幀四通道語音數據，接著送入USB 輸出端，將該幀語音傳入PC 端進行后續處理。或者我們也可以在DSP 端實現一些降噪算法或者波束成型算法，完成語音的增強處理，將增強后的單通道語音信號送入后端進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生，進行下一幀的語音數據采集處理。 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，首先調用OpenDriver() 打開USB 接口設備， 獲得設備的句柄hDevice， 之后調用Sx2SendVendorReq() 函數向外設發出命令，讀取USB 配置，最后調用Sx2BulkdataTrans() 進行數據傳輸，通過調用CFile 類將接收到的數據存放在文本文件中。程序使用多線程技術，使得應用程序將USB 數據傳輸在后臺進行處理，應用程序前臺還可進行其他操作。 3 總結 本文介紹了一個基于MEMS 數字 MIC 陣列的語音采集系統，研究了該數字麥克風陣列與DSP 以及PC 端的連接方法，并探討了此系列數字信號麥克風與DSP 進行通訊的方法以及平臺軟件設計。經平臺電路評估與測試，本系統能實時同步采集4 路語音信號，并且將4路語音數據同步輸出到PC 端進行實時處理，構建了多通道語音增強系統的硬件條件，為后續算法開發和應用奠定了基礎，具有實用價值。 |
