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語音編解碼器如何適應MEMS麥克風

星星科技指導員 ? 來源:嵌入式計算設計 ? 作者:David Brooke ? 2022-11-23 16:04 ? 次閱讀
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隨著語音接口和數(shù)字助理變得越來越流行,對緊湊、經(jīng)濟實惠的子系統(tǒng)的需求將不斷增長,這些子系統(tǒng)可以接受音頻輸入并將其轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)。

低成本、低功耗麥克風是當今許多設備的重要組成部分,從可穿戴設備到汽車。隨著語音接口和數(shù)字助理變得越來越流行,對緊湊、經(jīng)濟實惠的子系統(tǒng)的需求將不斷增長,這些子系統(tǒng)可以接受音頻輸入并將其轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)。

目前選擇的技術通常是微機電系統(tǒng)(MEMS),MEMS麥克風在許多消費類應用中幾乎無處不在。MEMS麥克風在靈敏度和信噪比方面具有良好的性能,并且物理尺寸非常小。

盡管有這些優(yōu)點,但缺乏合適的接口器件一直是MEMS麥克風使用的限制因素。過去,語音編解碼器被設計為處理模擬麥克風輸出,大多數(shù)現(xiàn)代編解碼器都是為了滿足多媒體設備的需求而開發(fā)的。雖然可以使用模擬MEMS麥克風,但數(shù)字版本通常是首選,因為它們更易于設計和集成。

設計人員如何確保兩全其美,利用數(shù)字MEMS麥克風的所有優(yōu)勢,而不需要復雜的附加接口電路,而復雜的附加接口電路可能設計緩慢且成本高昂?這在物聯(lián)網(wǎng)和消費類應用中尤其重要,在這些應用中,成本至關重要,而上市時間是關鍵。

微機電系統(tǒng)麥克風

圖1顯示了典型的MEMS麥克風設計。聲波引起的氣壓變化使膜彎曲,從而改變膜與固定剛性背板之間的距離。這會改變電容,為我們提供跟蹤聲級的電信號。

這種MEMS麥克風易于在硅中制造,并且機械器件和電路集成在單個芯片中,因此很容易集成到電路設計中。

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(圖1:MEMS麥克風換能器)

圖2顯示了一個數(shù)字MEMS麥克風,其中傳感器輸出被放大,轉換為數(shù)字,然后調(diào)制以產(chǎn)生過采樣的一位PDM(脈沖密度調(diào)制)輸出。然后,該輸出需要進一步的信號調(diào)理才能被應用使用,其中大多數(shù)需要標準PCM(脈沖編碼調(diào)制)格式的輸入信號。

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(圖2:數(shù)字MEMS麥克風框圖)

處理數(shù)字信號

為了處理這種數(shù)字輸出,設計人員可以在微控制器上實現(xiàn)PDM到PCM格式轉換,然后進行數(shù)字濾波。然而,這種方法很慢,并且需要特定的技能,設計師可能需要太多時間來學習。

更好的選擇是使用專門為數(shù)字MEMS麥克風設計的編解碼器。其中一個例子是CML的CMX655D,如圖3所示。這將基本的MEMS麥克風接口功能集成到單個低成本、超低功耗器件上。

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(圖3:CMX655D語音編解碼器的簡化框圖)

該器件可同時與兩個麥克風接口,支持外部降噪應用,還支持多種不同頻率范圍。高效率D類放大器提供智能揚聲器等應用所需的音頻輸出。

開源開發(fā)工具

雖然集成編解碼器(如CMX655D)具有許多優(yōu)點,但這意味著設計人員在配置設備時有許多選項可供選擇。這意味著需要工具包來幫助開發(fā),并支持原型設計和評估。另一方面,由于上市速度和成本至關重要,因此復雜的開發(fā)套件可能會成為設計人員的障礙。

為了克服這個問題,開源方法可以提供熟悉的工具和接口,以及低價、現(xiàn)成的硬件。具體來說,Raspberry Pi (RPi) 已被證明是許多應用中的熱門選擇,以最低的成本提供性能和靈活性。

硬件連接到頂部 (HAT) 接口提供了一個標準,使將第三方硬件連接到 RPi 變得簡單。HAT 定義了 65 x 56mm 的物理格式和連接器的引腳排列,并支持自動配置系統(tǒng),其中 RPi 可以識別連接到它的 HAT 板。

為了簡化開發(fā),CML 提供了 HAT 板 EV6550DHAT(圖 4),這意味著 CMX655D 編解碼器現(xiàn)在與 RPi 環(huán)境兼容,設計人員可以在熟悉的 Linux 環(huán)境中工作以開發(fā)他們的應用程序。

訪問 Linux 也提供了使用其他開源軟件的機會。一個例子是ALSA(高級Linux聲音架構)框架,它是Linux內(nèi)核的一部分,為聲卡設備驅動程序提供API。通過為 E6550DHAT 發(fā)布此驅動程序的安裝程序,CML 可以使用任何與 ALSA 兼容的高級聲音應用程序,從而進一步簡化開發(fā)。

隨著MEMS麥克風在物聯(lián)網(wǎng)應用中的日益普及,這種基于開源的方法意味著開發(fā)人員可以獲得低成本、功能強大的軟件和硬件??傮w而言,這使他們能夠縮短上市時間,并將精力集中在重要的地方——為最終客戶創(chuàng)造差異化產(chǎn)品。

審核編輯:郭婷

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