基于MEMS麦克风阵列的四通道语音采集系统设计

　　单个孤立麦克风作为传统的语音拾取工具，在噪声处理、声源定位和跟踪，语音增强等方面存在不足，在噪声环境下会严重影响语音质量。一些文章探讨了多通道麦克风的降噪技术，在理论上提高了噪声环境下语音的信噪比。但是实际应用中，多通道的语音实时采集是一个尚待解决的问题。本文基于此出发点，采用四个ADMP441 MEMS 数字麦克风，使用BF533 DSP 作为主控，组成一个4 声道的语音实时采集系统，在时频域的基础上增加一个空间域，以便对来自空间不同方向的信号进行实时处理，弥补了传统单声道的缺陷。

　　MEMS（微型机电系统） 麦克风是基于MEMS 技术制造的麦克风，简单的说就是一个电容器集成在微硅晶片上，可以采用表贴工艺进行制造， 能够承受很高的回流焊温度，容易与 CMOS 工艺及其它音频电路相集成。本文采用的四个ADMP4411 是一款高性能、低功耗、数字输出、提供底部收音孔的全向MEMS 麦克风。完整的ADMP441 解决方案由MEMS传感器、信号调理电路、模数转换器、抗混叠滤波器、电源管理和业界标准24-biTI2S 接口组成。ADMP441 利用I2S 接口与数字处理器（ 例如：DSP、微控制器） 直接相连，因此，在系统中无需使用音频编解码器，在体积和功耗方面具有普通mic 采集方案无法比拟的优势，系统可以很方便的嵌入到对功耗和体积敏感的可穿戴式设备中，并且提供更清晰语音质量，具有较高实用价值。MEMS麦克风的全部潜能还有待挖掘，但是采用这种技术的产品已经在多种应用中体现出了诸多优势，比如中高端手机应用和人工耳蜗助听器。

　　本文采用的主控芯片ADSP-BF533 是主频高达600 MHz 高性能Blackfin 处理器，内核包括：2 个 16 位 MAC，2 个 40 位 ALU，4 个 8 位视频 ALU，以及 1 个 40 位移位器RISC 式寄存器和指令模型，编程简单，编译环境友好，具有先进的调试、跟踪和性能监视功能。并且芯片具有2 个双通道全双工同步串行接口，支持 8 个立体声 I2S 通道，十分适合多通道的语音信号采集和处理。

　　1 硬件系统设计

　　该硬件系统主要包括4 路MEMS 麦克风构成的阵列、麦克风外围电路、DSP 数据处理模块、USB 通讯模块、PC 机组成。

　　1.1 麦克风阵列部署

　　由于多数麦克风阵列语音增强采用波束成型（Beamforming）技术，根据理论，我们得到的波形可以表达为

　　其中wn（f） 为权重系数， 为相对第0 个阵子的相位差，n 为麦克风数量。由上式我们可以得出麦克风数量和间距的关系以及排布，如图2 和图3：

　　由图2、图3 我们知道，经典应用中，麦克风间距为40mm，数量为3-10 个麦克风。本文采用4 个麦克风排列为间隔40mm 的线阵布局。

　　图2：麦克风数量N 与波形的关系

　　图3：麦克风间距与波形的关系

　　1.2 DSP数据处理模块

　　本文采用的BF533 DSP 数据处理模块。其 中，BF533 通过SPORT 接口与前端的MEMS 麦克风I2S 接口相连，并利用SPORT接口数据传输速度快、传输量大， 且不占用CPU 时钟周期的特点，将采集数据转存至BF533 的片内存储空间。本系统采用了一个 USB1.1 标准的 USB 设备芯片，其型号为PDIUSBD12， 该芯片有 6 个数据传输断点，其控制命令简单，寄存器少，适合于简单USB信息传输。BF533 处理器通过 EBIU 接口的BANK3 连接 PDIUSBD12 芯片，通过 CPLD为其分配访问地址，通过 CPLD 的 USB_DAT寄存器和USB_CMD 寄存器进行访问，完成DSP 与PC 机平台间的USB 数据传输。

　　1.3 MEMS数字麦克风与DSP数据处理模块接口设计

　　图4 所示电路允许两个数字MEMS 麦克风通过单条数据线与一个DSP 接口。由于BF533 有2 路SPORT 接口，最多可以设置四路串行数据输入，因此单个DSPBF533 理论上最多支持八个ADMP441。

　　图4：MEMS 麦克风与Blackfin DSP 的连接（原理示意图：未显示所有连接）

　　电路描述：