基于迷你陣列麥克風技術的手持通信產品設計

手持產品結構的空間限制越來越多，揚聲器越來越小，要求的聲音越來越大，抑制各種各樣的噪聲和回聲（視頻免提通話時的線性、非線性回聲），在噪聲環(huán)境下實現清晰的語音通信，是一個面臨解決的問題。

美國富迪科技（ForteMedia）公司推出的FM2010芯片是基于迷你陣列麥克風（SAM）專利技術的，采用空間濾波技術、遠/近距離定向拾取聲音信號、抑制聲學噪聲、消除聲學回聲的低功耗低成本的單芯片。本文將介紹迷你陣列麥克風技術在手持通信產品中的設計要點、FM2010芯片主要功能，及其在GSM手機中的典型應用。圖1是手持模式的抗噪聲示意圖；圖2是免提模式的抗噪聲示意圖。

圖1 SAM手持模式的抗噪聲示意圖

圖2 SAM免提模式的抗噪聲示意圖

迷你陣列麥克風技術設計要點

SAM技術可以采用Uni-MIC（主麥克風）和Omni-MIC（參考麥克風）兩個麥克風組成迷你陣列麥克風，采用背對背擺放或者邊對邊擺放，如圖3所示。利用兩種麥克風物理特性的差異，通過FM2010芯片處理以后，形成錐形的拾音束，形成空間的濾波器，用以抑制非穩(wěn)態(tài)噪聲。麥克風的特性、結構設計和FM2010的參數調整決定了錐形拾音束的方向、角度和抑制非穩(wěn)態(tài)噪聲的效果。

圖3 麥克風的擺放

1 麥克風的選擇

建議使用4mm的Uni、Omni麥克風。Uni-MIC的靈敏度為-40dB 3dB；頻譜在300Hz跌落小于8.5dB，3.4kHz提升小于3.5dB；指向性為心形，方向性0和90靈敏度差別大于4dB，0和180靈敏度差別大于10dB。Omni-MIC的靈敏度為-40dB1.5dB；頻譜在300Hz～3.4kHz平坦。推薦使用山東濰坊怡力達（IEA）的Uni麥克風B4015UL403和Omni麥克風B4015AL-398。

2 結構設計

結構設計的關鍵問題在于Uni麥克風的特性保持、錐形拾音束的方向，如果有免提通話功能，還需要更多考慮喇叭、麥克風減振和麥克風氣密性問題。錐形的拾音束的方向決定了抑制非穩(wěn)態(tài)噪聲的方向，所以應該保證有用信號在拾音束內，否則會被當作噪聲而被抑制。因此在產品外形設計時，應該充分考慮Uni麥克風的方向。結構設計應該保證Uni麥克風在裝入麥克風套筒和整個機殼以后，0和180靈敏度差別大于6dB，靈敏度和頻率特性基本不變。麥克風減振可以減小非線性回聲，氣密性可以減小線性回聲，提高系統(tǒng)的信號回聲比。

3 經過FM2010處理后的信號

迷你陣列麥克風拾取的信號和經過FM2010處理以后輸出的信號比較如圖4所示。聲源距離迷你陣列麥克風0.3m，聲強為83dB（SPL）。測試信號分別為Uni麥克風0和180、Omni麥克風0和180、線路輸出（Lout）迷你陣列麥克風0和180拾取的信號經過FM2010處理以后輸出的信號。從圖4中可以看出，同樣大小的信號，在拾音束內（0）和拾音束外（180）最終輸出的信號可以相差20dB。也就是說，只要非穩(wěn)態(tài)噪聲在拾音束外，相對于有用信號，將被抑制20dB。錐形的拾音束有效作用范圍為2m。SAM錐形的拾音束的角度取決于Uni麥克風的指向特性和FM2010的參數調整，圖5為實際測試SAM的錐形的拾音束方向圖。

圖4 SAM的錐形拾音束抑制噪聲效果

圖5 SAM的錐形拾音束方向圖聲效果

FM2010在GSM手機中的應用

FM2010采用低功耗小尺寸設計，功耗不到25mW，片內集成DSP、CODEC、ROM和RAM，適合移動手持設備應用。

以TI的手機平臺為例，如圖6所示，FM2010和模擬基帶處理器主要接口有4個：RECEIVER回聲消除的參考信號（HS REF）、免提喇叭回聲消除的參考信號（HF REF）、陣列麥克風電源及控制（MIC PWR）、陣列麥克風信號經FM2010處理后的輸出信號（LOUT）。FM2010和數字基帶處理器主要接口有6個：時鐘信號（13MHz）、SHI接口選擇控制（SHI_S）、SHI接口（SHI）、直通模式選擇控制（IRQ_ANA）、復位控制（RESET）和省電控制（PWD）。

圖6 FM2010在TI手機平臺的應用框圖

Uni麥克風和Omni麥克風拾取的信號經可編程增益放大器放大、模數轉換和高通濾波后送語音處理器處理（線性回聲消除、非線性回聲消除、VAD檢測、噪聲抑制處理麥克風音量設定），輸出的語音數據經數模轉換后將麥克風信號從線路輸出端單端輸出送到TWL3014/16模擬基帶處理器麥克風輸入端（MICIP/MIC1N），經過上行鏈路處理送數字基帶處理器OMAP733/750處理。GSM手機接收到信號經解調以后，經過信號數字基帶處理器OMAP733/750信道解碼，機密處理以后得到數字音頻信號送TWL3014/16模擬基帶處理器，經過下行鏈路處理從受話器（HSO）和耳機（EARP/EARN）輸出，一路送受話器，一路送外部功放放大，驅動免提喇叭，同時兩路信號分別送FM2010的線路輸入端輸入，模數轉換和高通濾波轉換成語音數據，送語音處理器處理作為回聲參考信號。典型應用如圖7所示。

圖7 FM2010典型應用原理圖

FM2010在GSM手機中的工作模式可以根據需要來設置，主要有測試模式、手持消噪模式、免提會議模式、免提個人專用模式。測試模式主要用于手機音頻測試（Acoustics），此時設置FM2010進入到直通模式（IRQ_ANA），FM2010只將Uni麥克風信號放大，不做其他任何處理，從線路輸出引腳輸出；手持消噪模式FM2010工作在Uni和Omni麥克風兩個麥克風SAM模式，用來消除通話環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)噪聲；免提會議模式用在小型多人會議模式，此時FM2010工作在麥克風反轉模式，FM2010放大處理Omni麥克風的信號，消除通話環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)回聲，從線路輸出引腳輸出，麥克風可以拾取全方向的信號；免提個人用模式可以針對一個人使用的會議場合或視頻通話。

OMAP733/750對FM2010的控制流程：通過SHI接口、PWD、RESET、ANA_IRQ控制引腳實現對FM2010的操作。整機上電以后，首先將PWD置高，ANA_IRQ置低，復位以后，送參數給FM2010，主要是時鐘源、時鐘頻率、DSP工作速率，然后將芯片進入到省電模式。如圖8所示，通話模式是根據是否有電話打入、打出或是錄音操作，喚醒FM2010，復位后根據手持/免提模式，送FM2010相應模式參數。對于手持消噪模式，需要送麥克風數量、麥克風增益、麥克風音量、消回聲參數和VAD參數。對于免提會議模式、需要送麥克風數量、麥克風增益、麥克風音量、麥克風反轉、消回聲參數（主要包含對方小聲講話、正常講話、大聲講話時）。免提個人專用模式調試方法基本同手持消噪模式，回聲消除參數需要更多調整。通話結束后，關閉FM2010的CODEC，將 FM2010設置到省電模式。如圖9所示，GSM手機音頻測試模式主要用于手機測試目的。進入測試模式以后，FM2010工作在直通模式，此時內部DSP對麥克風輸入信號不進行任何處理，Uni麥克風輸入信號經過可編程增益放大器放大后，直接從LOUT放大器輸出，可以通過SHI接口在線麥克風放大器和LOUT放大器增益參數。

圖8 通話模式控制流程

圖9 測試模式控制流程

FM2010 SHI接口控制時序：SHI接口工作在從模式，由外部提供時鐘信號，最大時鐘頻率400kHz，在對FM2010進行模式和參數設置時，首先是發(fā)一個傳送開始狀態(tài)，接著送1字節(jié)SHI設備地址 C0，2字節(jié)同步字 FCF3，然后是控制命令字 3B，2字節(jié)參數地址，2字節(jié)參數數據, 重復然后是控制命令字 3B，2字節(jié)參數地址，2字節(jié)參數數據，最后啟動命令控制命令字 3B，2字節(jié)參數地址1E 3A，2字節(jié)參數數據00 00結束，讓FM2010正常運行。