單個(gè)孤立麥克風(fēng)作為傳統(tǒng)的語(yǔ)音拾取工具，在噪聲處理、聲源定位和跟蹤，語(yǔ)音增強(qiáng)等方面存在不足，在噪聲環(huán)境下會(huì)嚴(yán)重影響語(yǔ)音質(zhì)量。一些文章探討了多通道麥克風(fēng)的降噪技術(shù)，在理論上提高了噪聲環(huán)境下語(yǔ)音的信噪比。但是實(shí)際應(yīng)用中，多通道的語(yǔ)音實(shí)時(shí)采集是一個(gè)尚待解決的問(wèn)題。本文基于此出發(fā)點(diǎn)，采用四個(gè)ADMP441 MEMS 數(shù)字麥克風(fēng)，使用BF533 DSP 作為主控，組成一個(gè)4 聲道的語(yǔ)音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，在時(shí)頻域的基礎(chǔ)上增加一個(gè)空間域，以便對(duì)來(lái)自空間不同方向的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單聲道的缺陷。

　　MEMS（微型機(jī)電系統(tǒng)） 麥克風(fēng)是基于MEMS 技術(shù)制造的麥克風(fēng)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是一個(gè)電容器集成在微硅晶片上，可以采用表貼工藝進(jìn)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(gè)ADMP4411 是一款高性能、低功耗、數(shù)字輸出、提供底部收音孔的全向MEMS 麥克風(fēng)。完整的ADMP441 解決方案由MEMS傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、抗混疊濾波器、電源管理和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)24-bitI2S 接口組成。ADMP441 利用I2S 接口與數(shù)字處理器( 例如：DSP、微控制器) 直接相連，因此，在系統(tǒng)中無(wú)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)可以很方便的嵌入到對(duì)功耗和體積敏感的可穿戴式設(shè)備中，并且提供更清晰語(yǔ)音質(zhì)量，具有較高實(shí)用價(jià)值。MEMS麥克風(fēng)的全部潛能還有待挖掘，但是采用這種技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)在多種應(yīng)用中體現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢(shì)，比如中高端手機(jī)應(yīng)用和人工耳蝸助聽(tīng)器。

　　本文采用的主控芯片ADSP-BF533 是主頻高達(dá)600 MHz 高性能Blackfin 處理器，內(nèi)核包括：2 個(gè) 16 位 MAC，2 個(gè) 40 位 ALU，4 個(gè) 8 位視頻 ALU，以及 1 個(gè) 40 位移位器RISC 式寄存器和指令模型，編程簡(jiǎn)單，編譯環(huán)境友好，具有先進(jìn)的調(diào)試、跟蹤和性能監(jiān)視功能。并且芯片具有2 個(gè)雙通道全雙工同步串行接口，支持 8 個(gè)立體聲 I2S 通道，十分適合多通道的語(yǔ)音信號(hào)采集和處理。

　　1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　該硬件系統(tǒng)主要包括4 路MEMS 麥克風(fēng)構(gòu)成的陣列、麥克風(fēng)外圍電路、DSP 數(shù)據(jù)處理模塊、USB 通訊模塊、PC 機(jī)組成。

　　1.1 麥克風(fēng)陣列部署

　　由于多數(shù)麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)采用波束成型（Beamforming）技術(shù)，根據(jù)理論，我們得到的波形可以表達(dá)為

　　其中wn(f) 為權(quán)重系數(shù)， 為相對(duì)第0 個(gè)陣子的相位差，n 為麥克風(fēng)數(shù)量。由上式我們可以得出麥克風(fēng)數(shù)量和間距的關(guān)系以及排布，如圖2 和圖3：

　　由圖2、圖3 我們知道，經(jīng)典應(yīng)用中，麥克風(fēng)間距為40mm，數(shù)量為3-10 個(gè)麥克風(fēng)。本文采用4 個(gè)麥克風(fēng)排列為間隔40mm 的線陣布局。

　　圖2：麥克風(fēng)數(shù)量N 與波形的關(guān)系

　　圖3：麥克風(fēng)間距與波形的關(guān)系

　　1.2 DSP數(shù)據(jù)處理模塊

　　本文采用的BF533 DSP 數(shù)據(jù)處理模塊。其 中，BF533 通過(guò)SPORT 接口與前端的MEMS 麥克風(fēng)I2S 接口相連，并利用SPORT接口數(shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸量大， 且不占用CPU 時(shí)鐘周期的特點(diǎn)，將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至BF533 的片內(nèi)存儲(chǔ)空間。本系統(tǒng)采用了一個(gè) USB1.1 標(biāo)準(zhǔn)的 USB 設(shè)備芯片，其型號(hào)為PDIUSBD12, 該芯片有 6 個(gè)數(shù)據(jù)傳輸斷點(diǎn)，其控制命令簡(jiǎn)單，寄存器少，適合于簡(jiǎn)單USB信息傳輸。BF533 處理器通過(guò) EBIU 接口的BANK3 連接 PDIUSBD12 芯片，通過(guò) CPLD為其分配訪問(wèn)地址，通過(guò) CPLD 的 USB_DAT寄存器和USB_CMD 寄存器進(jìn)行訪問(wèn)，完成DSP 與PC 機(jī)平臺(tái)間的USB 數(shù)據(jù)傳輸。

　　1.3 MEMS數(shù)字麥克風(fēng)與DSP數(shù)據(jù)處理模塊接口設(shè)計(jì)

　　圖4 所示電路允許兩個(gè)數(shù)字MEMS 麥克風(fēng)通過(guò)單條數(shù)據(jù)線與一個(gè)DSP 接口。由于BF533 有2 路SPORT 接口，最多可以設(shè)置四路串行數(shù)據(jù)輸入，因此單個(gè)DSPBF533 理論上最多支持八個(gè)ADMP441。

　　圖4：MEMS 麥克風(fēng)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(fēng)連接到ADSP-BF533 的SPORT0,SPORT1 數(shù)據(jù)輸入引腳。本電路需要的無(wú)源元件只有電容和電阻：每個(gè)ADMP441需要一個(gè)0.1 μF 旁路電容；SD 線路上需要一個(gè)大下拉電阻(100 kΩ)，用以在ADMP441 的輸出驅(qū)動(dòng)器處于三態(tài)時(shí)給電容放電。旁路電容應(yīng)盡可能靠近ADMP441 VDD 引腳（引腳7）放置。麥克風(fēng)的VDD 與BF533 的2.25 V至3.3 V VDDEXT 應(yīng)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(shí)現(xiàn)I2S 數(shù)據(jù)流，ADMP441 與BF533 之間必須連接三個(gè)信號(hào)：幀時(shí)鐘、位時(shí)鐘和數(shù)據(jù)。BF533 為系統(tǒng)時(shí)鐘，并生成兩個(gè)I2S 時(shí)鐘。

　　此電路展示麥克風(fēng)連接到Blackfin 的SPORT0 單個(gè)數(shù)據(jù)輸入端。BF533 的兩個(gè)SPORT 各具有兩組數(shù)據(jù)接收引腳，因此最多可提供八通道I2S 音頻輸入。

　　1.4 PC機(jī)平臺(tái)

　　DSP 數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)USB 接口與PC機(jī)相連，通過(guò)PDIUSBD12，將前端采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C 機(jī)，方便對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。

　　2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 語(yǔ)音采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　硬件搭建完成后，我們接下來(lái)介紹軟件系統(tǒng)的編寫(xiě)，如圖5 所示。

　　（1）首先，我們通過(guò)配置以上介紹的寄存器來(lái)初始化系統(tǒng)時(shí)鐘和USB 傳輸模塊。

　?。?） 接下來(lái)分別通過(guò)配置BF533 的IAR0，IAR1，IAR2 寄存器來(lái)使能數(shù)據(jù)接收中斷。

　?。?） 通過(guò)配置相應(yīng)寄存器來(lái)初始化SPORT0，SPORT1 以及DMA_SPORT0，DMA_SPORT1

　?。?）初始化完畢后，系統(tǒng)便開(kāi)始采集語(yǔ)音，我們通過(guò)DMA 中斷，讀取采集到的一幀四通道語(yǔ)音數(shù)據(jù)，接著送入U(xiǎn)SB 輸出端，將該幀語(yǔ)音傳入PC 端進(jìn)行后續(xù)處理?；蛘呶覀円部梢栽贒SP 端實(shí)現(xiàn)一些降噪算法或者波束成型算法，完成語(yǔ)音的增強(qiáng)處理，將增強(qiáng)后的單通道語(yǔ)音信號(hào)送入后端進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。

　?。?）在采集完畢后，我們等待下一次的中斷產(chǎn)生，進(jìn)行下一幀的語(yǔ)音數(shù)據(jù)采集處理。

　　圖5

　　2.2 PC機(jī)平臺(tái)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　PC 端接口程序采用VC++6．0 編寫(xiě)，首先調(diào)用OpenDriver() 打開(kāi)USB 接口設(shè)備， 獲得設(shè)備的句柄hDevice， 之后調(diào)用Sx2SendVendorReq() 函數(shù)向外設(shè)發(fā)出命令，讀取USB 配置，最后調(diào)用Sx2BulkdataTrans() 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)調(diào)用CFile 類將接收到的數(shù)據(jù)存放在文本文件中。程序使用多線程技術(shù)，使得應(yīng)用程序?qū)SB 數(shù)據(jù)傳輸在后臺(tái)進(jìn)行處理，應(yīng)用程序前臺(tái)還可進(jìn)行其他操作。

　　3 總結(jié)

　　本文介紹了一個(gè)基于MEMS 數(shù)字 MIC 陣列的語(yǔ)音采集系統(tǒng)，研究了該數(shù)字麥克風(fēng)陣列與DSP 以及PC 端的連接方法，并探討了此系列數(shù)字信號(hào)麥克風(fēng)與DSP 進(jìn)行通訊的方法以及平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)平臺(tái)電路評(píng)估與測(cè)試，本系統(tǒng)能實(shí)時(shí)同步采集4 路語(yǔ)音信號(hào)，并且將4路語(yǔ)音數(shù)據(jù)同步輸出到PC 端進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，構(gòu)建了多通道語(yǔ)音增強(qiáng)系統(tǒng)的硬件條件，為后續(xù)算法開(kāi)發(fā)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，具有實(shí)用價(jià)值。