CN105635907B - 一种数字麦克风 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字麦克风。包括MEMS芯片、ASIC芯片和DSP单元；MEMS芯片用于将拾取到的声音信号转换为模拟音频信号，ASIC芯片用于将模拟音频信号转换为数字音频信号；DSP单元中存储有控制指令列表，该控制指令列表中记录有每个工作时钟信号对应的声学特征；DSP单元用于接收ASIC芯片通过音频信号总线发送的数字音频信号，获取数字音频信号的声学特征，并从所述控制指令列表中匹配工作时钟信号，将匹配成功的工作时钟信号通过所述音频信号总线发送给所述ASIC芯片，使ASIC芯片在该工作时钟信号下工作，实现所述数字麦克风工作模式的可控。
Description
技术领域
本发明涉及声电处理技术领域，特别涉及一种数字麦克风。
背景技术
麦克风是一种声学传感器，可以用以拾取语音及声音，并将其转换成电信号。MEMS麦克风是一种常用的数字麦克风，其采用微机电系统(Micro-Eletro-Mechanical System，MEMS)工艺制作的微型麦克风，具有工作电流小、功耗低的特点，已普遍运用于移动装置之中。
现有的数字麦克风通常仅用于将拾取的声音信号转换为电信号，并对电信号进行放大处理、编码处理等基本的信号处理，无法对数字麦克风的工作状态进行控制。
因此，亟需一种可控的数字麦克风。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种数字麦克风，以解决现有数字麦克风功能单一，且不可控的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种数字麦克风，包括MEMS芯片和ASIC芯片，MEMS芯片用于将拾取到的声音信号转换为模拟音频信号，ASIC芯片用于将MEMS芯片发送的模拟音频信号转换为数字音频信号，并对数字音频信号进行信号处理；
数字麦克风还包括DSP单元，所述DSP单元与所述ASIC芯片之间通过控制信号总线和音频信号总线连接；所述DSP单元中存储有控制指令列表，该控制指令列表中记录有每个工作时钟信号对应的声学特征；
所述DSP单元，用于接收所述ASIC芯片通过所述音频信号总线发送的数字音频信号，提取获取的所述数字音频信号声学特征，并与所述控制指令列表中的声学特征进行匹配，将匹配成功的工作时钟信号通过所述音频信号总线发送给所述ASIC芯片，使所述ASIC芯片在该工作时钟信号下工作，实现所述数字麦克风工作模式的可控。
优选地，DSP单元的控制指令列表中还记录有若干个声学性能调节指令，每个声学性能调节指令对应一声压区间和触发条件；
DSP单元，还用于将获取到的数字音频信号的声压级别与所述控制指令列表中的声压区间进行匹配，将匹配成功且满足触发条件的声学性能调节指令通过所述控制信号总线发送给所述ASIC芯片，使所述ASIC芯片在该声学性能调节指令下工作，实现所述数字麦克风设定性能的可控。
进一步优选地，性能调节指令包括灵敏度校准指令，该灵敏度校准指令的触发条件为获取到的数字音频信号的灵敏度不满足该数字麦克风的灵敏度标准值；
所述ASIC芯片，用于接收所述DSP单元发送的灵敏度校准指令，并根据所述灵敏度校准指令调节所述ASIC芯片中的增益控制器。
优选地，声学性能调节指令包括失真调节指令，该失真调节指令的触发条件为获取到的数字音频信号的声压级别大于该数字麦克风的声学过载点；
所述ASIC芯片，用于接收所述DSP单元发送的失真调节指令，并根据所述失真调节指令调节所述ASIC芯片中的信号衰减器。
优选地，DSP单元的控制指令列表中还记录有电压调节指令，每个电压调节指令对应一供电电压；
所述DSP单元，还用于在需要切换所述数字麦克风的供电电压时，从所述控制指令列表中查询该供电电压对应的电压调节指令，并将查询到的电压调节指令通过所述控制信号总线发送给所述ASIC芯片，使所述ASIC芯片按照所述电压调节指令工作，实现所述数字麦克风工作电压的可控。
优选地，数字麦克风的工作模式包括标准模式、低功耗模式、睡眠模式和唤醒模式。
优选地，控制信号传输总线为I2C控制总线、SPI控制总线或UART控制总线中的一种。
优选地，音频信号总线的数据格式为PDM数据格式、I2S数据格式或TDM数据中的一种。
本发明实施例的有益效果是：本发明通过在数字麦克风中设置存储有控制指令列表的DSP单元，且在控制指令列表中记录每个工作时钟信号对应的声学特征，使DSP单元能够根据ASIC芯片通过音频信号总线发送的数字音频信号的声学特征，从控制指令列表中匹配出相应的工作时钟信号发送给ASIC芯片，使ASIC芯片在该工作时钟信号下工作，从而实现对数字麦克风工作模式的调节。
在优选方案中，还通过在DSP单元的控制指令列表中记录性能调节指令和电压调节指令，实现对数字麦克风设定性能和工作电压的调节
附图说明
图1为本发明实施例提供的数字麦克风组成结构示意图；
图2为本发明实施例提供的数字麦克风电路结构示意。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1为本发明实施例提供的数字麦克风组成结构示意图，图2为本发明实施例提供的数字麦克风电路结构示意。
参考图1和图2，本实施例的数字麦克风，包括MEMS芯片和ASIC芯片，MEMS芯片用于将拾取到的声音信号转换为模拟音频信号AIN，ASIC芯片用于将MEMS芯片发送的模拟音频信号转换为数字音频信号DATA，并对该数字音频信号进行信号处理。如图2所示，ASIC芯片还用于向MEMS芯片提供电压VP，即ASIC芯片为MEMS芯片供电。
继续参考图1和图2，本实施例的数字麦克风还包括DSP单元，该DSP单元与ASIC芯片之间通过控制信号传输总线和音频信号总线连接；即ASIC芯片设置有控制信号接口和音频信号接口，DSP单元也设置有匹配的控制信号接口和音频信号接口，对应的信号接口通过相应的信号总线连接。
其中，DSP单元中存储有控制指令列表，该控制指令列表中记录有每个工作时钟信号对应的声学特征；
DSP单元，用于接收ASIC芯片通过音频信号总线发送的数字音频信号，提取获取的数字音频信号的声学特征，并与控制指令列表中的声学特征进行匹配，将匹配成功的工作时钟信号通过音频信号总线发送给ASIC芯片，使ASIC芯片在该工作时钟信号下工作，实现数字麦克风工作模式的可控。
需要说明的是，本实施例中的声学特征优选为声压和频率，即每个工作时钟信号对应一声压范围和频率范围。
本实施例优选地将数字麦克风的工作模式设定成四种工作模式，分别为标准模式、低功耗模式、睡眠模式和唤醒模式。
为了使得本发明的数字麦克风具有更好的性能，在本实施例的一个实现方案中，DSP单元还可以对数字麦克风的性能进行校正或调整。
具体的，DSP单元的控制指令列表中还记录有若干个声学性能调节指令，每个声学性能调节指令对应一声压区间和触发条件；
DSP单元，还用于将获取到的数字音频信号的声压级别与控制指令列表中声压区间进行匹配，将匹配成功且满足触发条件的性能调节指令通过控制信号总线发送给ASIC芯片，使ASIC芯片在该性能调节指令工作，实现数字麦克风设定性能的可控。
针对数字麦克风的下述两个常见现象：其一，由于制造工艺的影响，数字麦克风的实际灵敏度值具有分散性；其二，数字麦克风拾取到的声音信号的声压级别开始接近声学过载点AOP之前，数字麦克风的失真通过不会随着声压级别升高而大幅增加，但当拾取到的声音信号的声压级别达到AOP或超过AOP时，数字麦克风的失真开始快速升高，数字麦克风的AOP通常是指失真达到10％的声压级别。
本实现方案优选地对麦克风的灵敏度和失真进行控制，则性能调节指令包括灵敏度校准指令和失真调节指令。
当性能调节指令为灵敏度校准指令时，该灵敏度校准指令的触发条件为获取到的数字音频信号的灵敏度不满足该数字麦克风的灵敏度标准值。
ASIC芯片，用于接收DSP单元发送的灵敏度校准指令，并根据灵敏度校准指令调节ASIC芯片中的增益控制器。
需要说明的是，在对数字麦克风的灵敏度进行校准时，优选地在实验室条件(环境压力为1Pa)下，使数字麦克风拾取声压级为94dB、频率为1KHz的声音信号。在数字麦克风依次通过其MENS芯片、ASIC芯片对拾取的声音信号进行相应的处理后，将处理后的数字音频信号通过音频信号总线发送给DSP单元，DSP单元获取该数字音频信号的灵敏度(该灵敏度实质为声压级别)，并与控制指令列表中声压区间进行匹配，通过声压区间匹配出相应的性能调节指令，此时DSP单元匹配出灵敏度校准指令，在匹配出灵敏度校准指令时，需要进一步判断该数字音频信号的声压级别是否满足灵敏度标准值，在数字音频信号的声压级别小于灵敏度标准值时，DSP单元通过控制信号总线将灵敏度校准指令发送给ASIC芯片。
当性能调节指令为失真调节指令时，该失真调节指令的触发条件为获取到的数字音频信号的声压级别大于该数字麦克风的声学过载点。
ASIC芯片，用于接收DSP单元发送的失真调节指令，并根据失真调节指令调节ASIC芯片中的信号衰减器。
需要说明的是，在对数字麦克风的失真进行调节时，实时判断数字麦克风拾取的声音信号的声压级别是否高于其声学过载点，在拾取到的声音信号的声压级别高于其声学过载点时，向ASIC芯片发送失真调节指令。即DSP将获取到的数字音频信号的声压级别与控制列表中的声压区间进行匹配，通过声压区间匹配出相应的性能调节指令，此时DSP单元匹配出失真调节指令，在匹配出失真调节指令时，需要进一步判断该数字音频信号的声压级别是否大于其声学过载点，在数字音频信号的声压级别大于声学过载点时，DSP单元通过控制信号总线将失真调节指令发送给ASIC芯片。
为了使得本发明的数字麦克风能够适用不同工作电压要求的多种应用场景，在本实施例的另一实现方案中，DSP单元还可以对数字麦克风的工作电压进行调整。
具体的，DSP单元的控制指令列表中还记录有电压调节指令，每个电压调节指令对应一供电电压；
DSP单元，还用于在需要切换数字麦克风的供电电压时，从控制指令列表中查询该供电电压对应的电压调节指令，并将查询到的电压调节指令通过控制信号总线发送给ASIC芯片，使ASIC芯片按照电压调节指令工作，实现数字麦克风工作电压的可控。
需要说明的是，本实施例中的控制信号传输总线为I2C(Inter-IntegratedCircuit)控制总线、SPI(Serial Peripheral Interface)控制总线或UART(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter)控制总线中的一种，音频信号传输总线的数据格式为PDM数据格式、I2S(Inter IC Sound)数据格式或TDM(Time Division Multiplexing)数据格式中的一种。
其中，I2C控制总线是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。
SPI是一种高速的、全双工、同步的通信总线。
UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线支持双向通信，可以实现全双工传输和接收。
PDM即脉冲密度调制，是一种数字音频的传输格式。
I2S是为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准，该总线专责于音频设备之间的数据传输，其采用沿独立的导线传输时钟与数据信号的设计，通过将数据和时钟信号分离，避免因时差诱发的失真。
TDM是指时分复用模式，即一种通过不同信道或时隙中的交叉位脉冲，同时在同一个通信媒体上传输多个数字化数据、语音和视频信号等的技术。
进一步需要说明的是，本实施例中的DSP单元也可以从所述数字麦克风中分离出来。
综上所述，本发明提供了一种数字麦克风，通过在数字麦克风中设置存储有控制指令列表的DSP单元，且在控制指令列表中记录每个工作时钟信号对应的声学特征，使DSP单元能够根据ASIC芯片通过音频信号总线发送的数字音频信号的声学特征，从控制指令列表中匹配出相应的工作时钟信号发送给ASIC芯片，使ASIC芯片在该工作时钟信号下工作，从而实现对数字麦克风工作模式的调节。在优选方案中，还通过在DSP单元的控制指令列表中记录性能调节指令和电压调节指令，实现对数字麦克风设定性能和工作电压的调节。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种数字麦克风，包括MEMS芯片和ASIC芯片，所述MEMS芯片用于将拾取到的声音信号转换为模拟音频信号，所述ASIC芯片用于将所述MEMS芯片发送的模拟音频信号转换为数字音频信号，并对所述数字音频信号进行信号处理；其特征在于，
所述数字麦克风还包括DSP单元，所述DSP单元与所述ASIC芯片之间通过控制信号总线和音频信号总线连接；所述DSP单元中存储有控制指令列表，该控制指令列表中记录有每个工作时钟信号对应的声学特征；
所述DSP单元，用于接收所述ASIC芯片通过所述音频信号总线发送的数字音频信号，提取获取的所述数字音频信号声学特征，并与所述控制指令列表中的声学特征进行匹配，将匹配成功的工作时钟信号通过所述音频信号总线发送给所述ASIC芯片，使所述ASIC芯片在该工作时钟信号下工作，实现所述数字麦克风工作模式的可控。
2.根据权利要求1所述的数字麦克风，其特征在于，所述DSP单元的控制指令列表中还记录有若干个声学性能调节指令，每个声学性能调节指令对应一声压区间和触发条件；
所述DSP单元，还用于将获取到的数字音频信号的声压级别与所述控制指令列表中的声压区间进行匹配，将匹配成功且满足触发条件的声学性能调节指令通过所述控制信号总线发送给所述ASIC芯片，使所述ASIC芯片在该声学性能调节指令下工作，实现所述数字麦克风设定性能的可控。
3.根据权利要求2所述的数字麦克风，其特征在于，所述性能调节指令包括灵敏度校准指令，该灵敏度校准指令的触发条件为获取到的数字音频信号的灵敏度不满足该数字麦克风的灵敏度标准值；
所述ASIC芯片，用于接收所述DSP单元发送的灵敏度校准指令，并根据所述灵敏度校准指令调节所述ASIC芯片中的增益控制器。
4.根据权利要求2所述的数字麦克风，其特征在于，所述声学性能调节指令包括失真调节指令，该失真调节指令的触发条件为获取到的数字音频信号的声压级别大于该数字麦克风的声学过载点；
所述ASIC芯片，用于接收所述DSP单元发送的失真调节指令，并根据所述失真调节指令调节所述ASIC芯片中的信号衰减器。
5.根据权利要求1所述的数字麦克风，其特征在于，所述DSP单元的控制指令列表中还记录有电压调节指令，每个电压调节指令对应一供电电压；
所述DSP单元，还用于在需要切换所述数字麦克风的供电电压时，从所述控制指令列表中查询该供电电压对应的电压调节指令，并将查询到的电压调节指令通过所述控制信号总线发送给所述ASIC芯片，使所述ASIC芯片按照所述电压调节指令工作，实现所述数字麦克风工作电压的可控。
6.根据权利要求1所述的数字麦克风，其特征在于，所述数字麦克风的工作模式包括标准模式、低功耗模式、睡眠模式和唤醒模式。
7.根据权利要求1至6任一项所述的数字麦克风，其特征在于，所述控制信号传输总线为I2C控制总线、SPI控制总线或UART控制总线中的一种。
8.根据权利要求1至6任一项所述的数字麦克风，其特征在于，所述音频信号总线的数据格式为PDM数据格式、I2S数据格式或TDM数据中的一种。
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Address after: 261031 Dongfang Road, Weifang high tech Industrial Development Zone, Shandong, China, No. 268 Applicant after: Goertek Inc. Address before: 261031 Dongfang Road, Weifang high tech Industrial Development Zone, Shandong, China, No. 268 Applicant before: Goertek Inc. |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200610 Address after: 266104 room 103, 396 Songling Road, Laoshan District, Qingdao, Shandong Province Patentee after: Goer Microelectronics Co.,Ltd. Address before: 261031 Dongfang Road, Weifang high tech Industrial Development Zone, Shandong, China, No. 268 Patentee before: GOERTEK Inc. |
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| TR01 | Transfer of patent right |