隨著數字訊號處理技術的發展，使用數字音訊
技術的電子產品越來越多。數字音訊介面成為發展的潮流，採用脈衝密度調製(pdm)介面的ecm和mems數字麥克風
也孕育而生。目前，ecm和mems數字麥克風已經成為可攜式膝上型電腦拾音裝置的主流。
模擬麥克風和數字麥克風
麥克風結構：ecm模擬麥克風通常是由振膜，背極板，結型場效電晶體(jfet)和遮蔽外殼組成。振膜是塗有金屬的薄膜。背極板由駐極體材料做成，經過高壓極化以後帶有電荷，兩者形成平板電容。當聲音引起振膜振動，使兩者距離產生變化，從而引起電壓的變化，完成聲電轉換。利用結型場效電晶體用來阻抗變換和放大訊號，有些高靈敏度麥克風採用運放來提高麥克風靈敏度(見圖1a)。ecm數字麥克風通常是由振膜，背極板，數字麥克風晶元和遮蔽外殼組成，數字麥克風晶元主要由緩衝級，放大級，低通濾波器，抗模數轉換組成。緩衝級完成阻抗變換，放大級放大訊號，低通濾波濾除高頻訊號，防止模數轉換時產生混疊，模數轉換將放大的模擬訊號轉換成脈衝密度調製(pdm)訊號，通常採用過取樣的1位δ-σ模數轉換(見圖1b)。mems模擬麥克風主要由mems感測器，充電幫浦，緩衝放大器，遮蔽外殼組成。參照圖1c, mems感測器由半導體工藝製成的振膜，背極板和支架構成，通過充電幫浦給背極板加上適當的極化偏壓。緩衝放大器完成阻抗變換，放大訊號。mems數字麥克風主要由mems感測器，充電幫浦，數字麥克風晶元和遮蔽外殼組成，參照圖1d。為了提高麥克風抗干擾能力，麥克風內部電源和地之間都增加了小的濾波電容，通常是10pf和33pf併聯。
圖1a ecm模擬麥克風 圖1b ecm數字麥克風
圖1c mems模擬麥克風 圖1d mems數字麥克風
麥克風偏置電路：通過手機中麥克風電路的典型應用，比較一下ecm模擬麥克風，mems模擬麥克風和數字麥克風的差異。圖2a為ecm模擬麥克風的偏置電路。為了減小干擾，手機中的麥克風電路採用差分輸出。麥克風電源經過r5電阻c9電容濾波以後，通過r6供給麥克風內部的場效電晶體，由r6、r9差分組成差分輸出電路。c15和r6、r9以及麥克風的輸出阻抗組成低通濾波器，用來濾除超過語音頻段的高頻訊號，防止后級電路模數裝換時產生混疊。c13、c17隔離直流偏置，r7、r8用來防止電容對晶元輸入端的放電衝擊。其餘的33pf電容用來濾除射頻干擾。麥克風輸出到基帶晶元的模擬輸入端採用差分布線，減少雜訊和射頻干擾(見圖2b)。mems麥克風的偏置電路。麥克風電源經過r1電阻c2電容濾波以後，供給mems麥克風內建的緩衝放大器和充電幫浦電路。mems拾取的聲音頻號轉換成模擬電訊號，經過緩衝放大後輸出，經過c5、r2、c6組成的π型濾波器濾波，偽差分電路佈線到基帶晶元。圖2c為數字麥克風的偏置電路。麥克風電源經過簡單濾波以後供給麥克風。聲音轉換成模擬電訊號經過內部緩衝放大，在時鐘訊號(scl)的驅動，下最後模數轉換成1位的pdm音訊資料,從資料引腳(data)輸出。
圖2a ecm模擬麥克風電路
圖2b mems模擬麥克風電路
圖2c ecm/memes數字麥克風電路
各種型別麥克風比較：表1歸結出ecm模擬麥克風，ecm數字麥克風，mems模擬麥克風和mems數字麥克風的效能指標和各自的優缺點。
圖3 pdm訊號
數字麥克風通常由5個引腳，分別是電源(vdd)，地(gnd)，時鐘(clk)，資料(dat)和通道選擇(l/r)。數字麥克風介面晶元需要提供麥克風電源(需要和系統電平匹配)和外部時鐘訊號(1.024～3.074mhz)，數字麥克風在獲取時鐘訊號後，從省電狀態轉到正常工作狀態。拾取聲音頻號過取樣轉換成脈衝密度調製(pdm)的資料流(訊號幅度變化越劇烈，脈衝密度越密)送給處理晶元，晶元內部的抽取濾波器(decimator)下取樣(down sample)並低通濾波，將高頻低位流的訊號轉換成低頻高位流的pcm訊號，同時濾除量化雜訊。pdm介面可以掛接兩個數字麥克，共享時鐘和資料線，通過通道選擇(l/r)選擇時鐘高和低時是哪個通道的麥克風。圖4為數字麥克風的輸出訊號。在時鐘為高時，l/r=0的麥克風(mic0)資料線保持高阻狀態，傳輸l/r=1的麥克風(mic1)的資料;在時鐘為低時，l/r=1的麥克風(mic1)資料線保持高阻狀態，傳輸l/r=0的麥克風(mic0)的資料。
圖4 數字麥克風的輸出訊號
數字麥克風陣列在手機平台的應用
2個數字麥克風使用同一組電源，電源電壓同語音處理晶元fm34-395(見圖5)。數字麥克風陣列通過l/r引腳配置成成主麥克風(l/r接地)和參考麥克風(l/r接電源)，拾取的近端訊號經過數字麥克風放大並轉換成pdm訊號連線到語音處理晶元fm34-395晶元。兩路麥克風訊號經過下取樣裝換成16位的pcm訊號，放大濾波以後進行相關處理。
圖5 數字麥克風陣列在mtk手機平台典型應用
手持模式下，根據數字麥克風陣列拾取的近端訊號差異，對近端語音做穩態和非穩態雜訊抑制和線性回聲消除處理, 處理完成的訊號經過pcm引腳(txdp)送到基帶晶元(pcm in引腳)作為上行訊號，送並產生側音送到受話器(receiver)。下行訊號通過基帶晶元(pcm out引腳)送到fm34-395的輸入引腳(rxdc)，經過雜訊抑制，並根據數字麥克風陣列提供的雜訊資訊判斷是否啟動清晰語音引擎來亮化受話器(receiver)的聲音，使使用者在雜訊環境下依然可以聽得清，同時作為回聲消除的參考訊號。
擴音模式下，根據麥克風陣列拾取的回聲訊號差異，對夾雜聲學回聲的近端語音進行消除處理, 處理完的語音做穩態雜訊抑制處理，輸出訊號經過pcm引腳(txdp)送到基帶晶元(pcm in引腳)作為上行訊號。下行訊號通過基帶晶元(pcm out引腳)送到fm34-395的輸入引腳(rxdc)，經過雜訊抑制，並根據數字麥克風陣列提供的雜訊資訊判斷是否啟動清晰語音引擎來亮化受話器(receiver)的聲音，使使用者在雜訊環境下依然可以聽得清，同時作為回聲消除的參考訊號。
數字麥克風陣列的擺放：主麥克風擺在手機正面下方或下側面，就是盡量靠近使用者嘴部，參考麥克風擺在手機背面上方或上側面，即是靠近使用者的耳朵，這樣在手持模式下近端語音數字麥克風陣列的兩個麥克風拾取的訊號有足夠的差別，而較遠的雜訊沒有差別，利用數字語音處理器fm34-395處理，就可以實現定向定距離拾音，抑制各種環境雜訊。
數字麥克風陣列在膝上型電腦中的應用
圖6 數字麥克風陣列在膝上型電腦的典型應用
數字麥克風拾取轉換成pdm格式的訊號通過線纜連線到膝上型電腦的高畫質音訊編解碼器(hd audio codec)音效卡的數字麥克風介面，下取樣轉換成兩路音訊訊號，送到位於高畫質音訊編解碼器驅動層的小型麥克風陣列處理軟體(samsoft)處理，實現雜訊抑制(noise suppression)，回聲消除(acoustic echo cancellation)，遠距離拾音(far field pick up)敲擊鍵盤雜訊抑制等功能。
普通麥克風和多陣列麥克風的區別
普通麥克風是指單個的麥克風。或者說多個麥克風但是這些麥克風之間沒有加入處理電路或晶元，那麼這些也是普通麥克風。麥克風陣列是多個麥克風按一定方式排列在一起，由於加入晶元，像昆蟲的複眼乙個能夠精確定位，可以通過晶元，消除環境中各種干擾，比如回聲，這就大提高了在惡劣環境中的音色識別效能，也可以降低噪音，主...
麥克風陣列技術（一）
本文給出了麥克風陣列技術和波束形成理論的一些初步知識。所謂麥克風陣列就是放置在空間中不同位置的多個麥克風。根據聲波傳到理論，利用多個麥克風收集到的訊號可以將某一方向傳來的聲音增強或抑制。利用這種方法，麥克風陣列可以將雜訊環境中特定聲音頻號有效的增強。更進一步來說，這種增強效應只依賴與聲源所在的位置，...
麥克風陣列技術入門（1）
本文翻譯自 iain a mccowan 寫的 microphone arrays,a tutorial。根據我自己的理解有些小的修改。本文給出了麥克風陣列技術和波束形成理論的一些初步知識。所謂麥克風陣列就是放置在空間中不同位置的多個麥克風。根據聲波傳到理論，利用多個麥克風收集到的訊號可以將某一方向...