CN104012117A - 具有升频器的数字麦克风 - Google Patents

Abstract

一种数字麦克风，该麦克风包括微机电(MEMS)部件和升频部件。该MEMS部件被配置为将声音转换为电信号。该升频部件被配置为接收所述电信号，并对所述电信号进行超声升频，以创建频率响应。所述频率响应基本上不影响所述麦克风的所关注的音频带。

Description

具有升频器的数字麦克风

相关申请的交叉引用

本专利要求提交于2012年12月19日的名称为“Digital Microphone with FrequencyBoost”的美国临时申请第61/739308号的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本申请涉及声学装置，更具体地讲，涉及对特定频率范围进行升频的麦克风。

背景技术

多年来已使用了各种类型的麦克风。在这些装置中，不同的电子部件被一起容纳在壳体或组件内。例如，麦克风通常包括隔膜和后板(以及其它部件)，这些部件被一起设置在壳体内。其它类型的声学装置(诸如受话器)可包括其它类型的部件。

在获得来自MEMS部件的信号之后，通常执行其它处理。例如，通常对从MEMS部件接收的信号执行噪声整形。

目前的MEMS麦克风还连接至其它应用，例如与个人计算机或蜂窝电话关联的那些应用。为了与这些应用相连接，需要满足特定性能标准。在一个示例中并且针对发生的噪声整形，必须使来自四阶噪声整形部件的处理的输出与现有的芯片组和编解码器相符合。不幸的是，在以前的系统中，这意味着麦克风信号中的一些频率(例如，超声频率)被噪声严重破坏。

防止该问题的一种以前的方式是增大时钟频率。然而，该方法已被证明不令人满意，因为它使系统的电流消耗增加至不可接受的水平，并且潜在地降低了系统的音频性能。

附图说明

为了更充分理解本公开，应该参照以下具体实施方式和附图，附图中：

图1包括根据本发明的各种实施方式的提供超声升频的系统的框图；

图2包括根据本发明的各种实施方式的升频部件的框图；

图3包括根据本发明的各种实施方式的升频滤波器内的FIR滤波器的框图；

图4包括根据本发明的各种实施方式的升频滤波器内的插值块的框图；

图5包括根据本发明的各种实施方式的频率检测器的框图；

图6包括示出根据本发明的各种实施方式的插值对频率的图表。

技术人员将理解，为了简单和清晰而示出了附图中的元件。还将理解，特定动作和/或步骤可能按照特定发生顺序描述或示出，但是本领域技术人员将理解，实际上不需要针对次序的这种特定性。还将理解，除非本文中另外阐述了特定含义，否则本文使用的术语和表达具有符合这些术语和表达各自对应的探讨和研究领域的普通含义。

具体实施方式

提供具有超声升频的微机电(MEMS)麦克风。这些方法提供与芯片组和编解码器相符合的噪声整形特性。本文描述的方法维持独立于外部时钟频率的频率响应，这实现了音频与超声频带之间的精确转变。另外，在避免由于麦克风工作的环境中的超声干扰器引起的过载的同时，将超声信号升频为高于噪声整形量化噪声基底(floor)。另一优点涉及群延迟。群延迟涉及使用多个麦克风来基于接收的信号的时延确定对象的位置。如果随机延迟被插入到信号中，则该功能将不起作用。本发明的方法避免了插入随机延迟并且避免了这些问题。

现在参照图1，描述提供超声升频的系统的一个示例。该系统包括MEMS部件102、输入缓冲器104、输入放大器106、∑-△ ADC 108、抽取滤波器110、升频器部件112、∑-△数字数字转换器114和应用116。

例如，MEMS部件102包括后板、隔膜、支撑结构。部件102将声音转换为模拟电信号。

输入缓冲器104的功能是在维持高SNR和低信号损失的同时充当MEMS元件与剩余块之间的接口。输入放大器106的功能是将信号放大至可接受的水平。

在一个示例中，∑-△ ADC 108实现三阶噪声整形，导致量化噪声增加大约60dB/dec，这足够低以基本上不破坏超声信号。如本文所使用的，“阶”是指频率响应中的截止有多陡。为了利用三阶噪声整形获得充分可接受的音频性能，∑-△ ADC 202包含具有-4、-3、…、0、…、+3、+4范围内的量化码的多比特量化器。使用所述多比特量化器的额外好处在于，∑-△ ADC 202变得非常稳定，并且以低失真应对过载情况。∑-△ ADC 202接收模拟信号并且生成4比特64fs信号。

抽取滤波器110按照8块抽取滤波，其将采样率从3072kHz降至3072kHz/8＝384kHz，从而得到192kHz的奈奎斯特带宽限制。换言之，抽取滤波器110用于使数据速率变慢。添加比特以维持较低速率下的相同信息内容。这样做有各种原因。例如，通过按照因子8降低采样率，可实现在计算周期要求与并行性之间良好平衡的超声升频滤波器206(见下文)，以便使电流消耗和门计数最小化。另一原因是移除高于超声频带的任何高频噪声避免其进入数字信号路径。抽取滤波器110从∑-△ ADC 108获得信号并将其转换为12比特8fs信号。

升频器部件112为信号提供超声升频。该功能可由硬件和软件的任何组合执行，并且可以按照各种方式配置。例如，升频器部件112可被设置在一个芯片上或多个芯片上。在本文的其它部分更详细地描述该部件。

例如，∑-△ DDC 114执行四阶噪声整形，以便传送具有外部芯片组和编解码器所期望的性质的PDM比特流。∑-△ DDC 114创建1比特64fs信号作为输出。

应用116是使用来自MEMS 102的经升频器部件112处理的信号的任何应用。例如，应用116可以是蜂窝电话应用或者个人计算机中的应用。应用的其它示例也是可以的。

在其它方面，升频部件112可被置于模拟域中A/D(或∑-△)转换器108的前面，作为模拟高通滤波器。在这种情况下，频率响应将独立于时钟频率生成。

在一些方面，升频部件频率响应独立于时钟，使得升频滤波器不会影响音频带或关注的频带。在这方面，当时钟频率改变时，数字滤波器被更新。

现在参照图2，详细描述升频器部件200(例如，图1中的升频器部件112)。升频器部件200包括超声升频滤波器206和频率检测器208。由电路200生成的频率响应不依赖于外部时钟。在这方面，不可取的是可变外部时钟能够影响滤波器响应。如果发生这种影响，则音频带的频率响应可能受到超声频率响应的干扰，或者超声频率响应可能上移至更高，滤波将不起作用。

在本文描述的示例中，数字麦克风ASIC以具有大约3072kHz的外部时钟频率为时钟。将理解，其它频率也是可以的。

在此示例中，超声升频滤波器206实现16阶数字FIR滤波器，其在音频带中具有0dB的一种高通频率响应，并且在超声频带中具有0dB、+7dB、+11dB和+15dB等级的增益的可配置升频。等级以及这些等级的值的其它示例也是可以的。这种可配置升频使得可以在∑-△ DDC 114中能够/必须将超声信号升高至比噪声整形量化噪声高多少，同时避免由于麦克风工作的环境中的超声干扰器引起的过载之间进行权衡。

当在数字域中实现升频滤波器时，A/D转换器在超声频带中的量化噪声+KT/C优选低于∑-△ DDC在超声频带中的量化噪声。如果不满足该条件，则超声频带的数字升频可能无法改进超声SNR。

利用FIR滤波器，确保了相位响应与频率成线性，并且群延迟恒定。有利的是，这确保了多个麦克风之间不存在延迟差，否则的话延迟差可能使超声姿态检测算法的定位分辨率劣化。通常，数字滤波器的频率响应直接与时钟频率成比例。然而，在一些情况下这是不可接受的。因此，超声升频滤波器206能够基于来自频率检测器208的插值重新计算FIR滤波器系数，以便对于3072kHz…4800kHz范围内的所有外部频率维持恒定的频率响应。如所提及的，在一个方面中，升频滤波器206使用有限脉冲响应滤波器。然而，在其它示例中，可使用无限脉冲响应滤波器。在此示例中，升频滤波器创建18比特8fs信号。在其它示例中，滤波器的响应无需为线性的，只要对于两个(或更多个)麦克风，响应相同即可。

频率检测器208执行多个任务。执行的一个功能是计算插值因子(介于0和1之间的值)，超声升频滤波器206使用该插值因子来重新计算FIR滤波器系数，以便维持独立于外部时钟频率的频率响应。对于最高达3072kHz的外部频率，存在插值0。此后，它随频率线性增加，并且在4800kHz的外部频率处达到饱和为1。

现在参照图3和图4，描述超声升频滤波器中呈现的两个功能的方面。超声升频滤波器包括高通FIR滤波器300，其用于对与音频频率相加在一起的超声频率进行升频。在该示例中，该高通升频FIR滤波器被实现为16阶滤波器，这意味着它包含17个滤波器系数和16个延迟元件。FIR滤波器300的输出(y(n))表示为：

(1)y(n)＝h(0)*x(n)+h(1)*x(n-1)+…+h(8)*x(n-8)+…+h(15)*x(n-15)+h(16)*x(n-16)

滤波器系数[h(0),h(1),…,h(15),h(16)]关于中心系数h(8)对称：h(0)＝h(16)，h(1)＝h(15)，这可用于减少乘法的数量并且减少需要存储的系数的数量：

(2)y(n)＝h(0)*[x(n)+x(n-16)]+h(1)*[x(n-1)+x(n-15)]+…+h(7)*[x(n-7)+x(n-9)]+h(8)*x(n-8)

为了简化实现方式，将滤波器系数归一化，使得中心抽头h(8)变为等于1。此归一化的FIR滤波器的输出(y(n))表示为：

(3)y(n)＝h(0)*[x(n)+x(n-16)]+h(1)*[x(n-1)+x(n-15)]+…+h(7)*[x(n-7)+x(n-9)]+x(n-8)

与音频频率相加在一起的升频的高通FIR滤波器因此表示为：

(4)y(n)＝boost*[h(0)*[x(n)+x(n-16)]+h(1)*[x(n-1)+x(n-15)]+…+h(7)*[x(n-7)+x(n-9)]+x(n-8)]+x(n-8)

这可表示为：

(5)y(n)＝boost*[h(0)*[x(n)+x(n-16)]+h(1)*[x(n-1)+x(n-15)]+…+h(7)*[x(n-7)+x(n-9)]]+(1+boost)*x(n-8)。图3示出式(5)的实现方式。

每当FIR滤波器的时钟频率改变时，需要更新FIR滤波器300的滤波器系数，以便维持独立于时钟频率的频率响应。在此示例中，FIR滤波器300旨在以3072kHz至4800kHz范围内的时钟频率工作。在此频率范围中，滤波器系数以这样的方式连续改变，使得通过在两组系数(一组系数用于3072kHz的时钟频率，另一组系数用于4800kHz的时钟频率)之间进行插值，可以按照足够的精度逼近所述滤波器系数。

用于3072kHz的时钟频率的一组滤波器系数[h0(0),h0(1),…,h0(7)]以及用于4800kHz的时钟频率的一组滤波器系数[h1(0),h1(1),…,h1(7)]可用于按照以下方式对FIR滤波器系数进行插值：

(6)h(n)＝(1-a)*h0(n)+a*h1(n)，n＝0,1,…,7

上式可被写为：

(7)h(n)＝h0(n)+a*[h1(n)–h0(n)]，n＝0,1,…,7

上式可被写为：

(8)h(n)＝h0(n)+a*h10(n)，h10(n)＝h1(n)–h0(n)，n＝0,1,…,7

式(8)被实现为图4所示的设备400。换言之，可根据此方法确定滤波器系数[h0(0),h0(1),…,h0(7)]。

现在参照图5，描述频率检测器500的一个示例。频率检测器500基于外部时钟频率fclk计算插值因子。频率检测器500包括频率计数器502、滞后块504、频率微调块506以及插值因子计算块508。

频率计数器502接收基准频率fref和时钟频率fclk。频率计数器的输出如下给出：

(9)count＝fclk/fref

其中fref是来自内部基准振荡器的频率。在一个示例中，此振荡器的标称频率为：fref＝13.89kHz。因此，举一个例子，对于fclk＝2400kHz,3072kHz,4800k Hz，count＝173,221,346。

输出count将围绕标称值反复，有必要应用一些滞后以移除这种反复。滞后块504包含count0值，只有满足以下条件时，才更新count0值，使其等于count值：

(10)abs(count–count0)>hyst

频率微调块506用于在内部基准振荡器的频率fref偏离标称值的情况下间接微调内部基准振荡器的频率fref。频率微调块406的输出因此如下给出：

(11)freq＝min(round(count0*(1+trim/32)),511)

在内部基准频率偏离期望值的情况下，通过从微调参数中选择合适的值来对内部基准频率进行微调。通常，微调参数为0，count0＝173,221,346＝>freq＝173,221,346。现在使用微调的频率来利用以下关系计算插值因子：

(12)a＝min(max(round(freq*(1+1/32))–228,0),127)/128。例如，当freq＝173,221,346时，a＝0,0,0.9921875。

参照图6，描述作为外部时钟频率的函数的插值因子的一个示例。如所示，插值因子线602是介于0和1之间的线性值。

本文描述了本发明的优选实施方式，包括发明人所知的实现本发明的最佳方式。应该理解，图示实施方式仅是示例性的，不应被当作限制本发明的范围。

Claims (8)

1.一种数字麦克风，该麦克风包括：

微机电(MEMS)部件，该MEMS部件被配置为将声音转换为电信号；

升频部件，该升频部件被配置为接收所述电信号，并对所述电信号进行超声升频，以创建频率响应，该频率响应基本上不影响所述麦克风的所关注的音频带。

2.根据权利要求1所述的数字麦克风，其中，所述升频部件包括超声升频滤波器和频率检测器。

3.根据权利要求2所述的数字麦克风，其中，所述数字麦克风包括∑-△模拟数字转换器和∑-△数字数字转换器，并且其中，在数字域中实现所述升频滤波器，并且其中，所述∑-△模拟数字转换器在超声频带中的第一量化噪声低于所述∑-△数字数字转换器在超声频带中的第二量化噪声。

4.根据权利要求1所述的数字麦克风，其中，所述MEMS部件包括后板和隔膜。

5.根据权利要求1所述的数字麦克风，其中，所述数字麦克风被配置为连接至应用。

6.根据权利要求1所述的数字麦克风，该数字麦克风还包括接收所述频率响应的∑-△数字数字转换器。

7.根据权利要求1所述的数字麦克风，该数字麦克风还包括∑-△模拟数字转换器。

8.根据权利要求1所述的数字麦克风，其中，所述升频部件使所述频率响应升高为高于噪声整形量化噪声基底。