CN107040831A - 一种有延迟功能的麦克风 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有延迟功能的麦克风，包括MEMS器件和ASIC芯片，所述MEMS器件与ASIC芯片连接并集成在麦克风的封装外壳内；所述ASIC芯片包括前置放大器、ADC模块和FIFO存储器，所述前置放大器输入端连接到所述MEMS器件的输出端，所述前置放大器的输出端连接到所述ADC模块的输入端，所述ADC模块的输出端连接到所述FIFO存储器的输入端，所述FIFO存储器的输出端连接到麦克风数字输出管脚。本发明提供的麦克风，在麦克风的封装外壳内部集成ADC模块，不需要提供额外的音频ADC或者CODEC，且采用输出1-bit编码高速码流的ADC及能够处理1-bit编码的FIFO存储器对编码进行精细延迟处理，另外，由于码流字长为1-bit，使硬件资源开销降低。

Description

一种有延迟功能的麦克风
技术领域
本发明涉及麦克风领域，特别是一种有延迟功能的麦克风。
背景技术
在包含多只麦克风的音频系统中，因为声源到每一只麦克风的距离不一定相等，声音到达各麦克风的时间也就不一定相等。这样各个麦克风接收到的声音信号之间存在相对的延迟关系。若声音信号是单一频率，则表现为各麦克风收到信号的相位差异，且频率越高相位差越大。
有的应用中为了增加信噪比，将多只麦克风信号叠加输出，但只有当来自这些麦克风的有用信号各频率相位完全一致时，输出幅度才能达到最大；否则因为存在相位差异，叠加结果并不是信号振幅的叠加，或者说是时域波形没有对齐，叠加后并不是原信号的简单缩放。因此要最大化信噪比需要对麦克风信号插入延迟补偿，使加法电路看到的各个麦克风信号相位是一致的，或者说时间上是对齐的。
有的应用中需要将麦克风的信号求差，来消去某一方向上的干扰信号。这时，相位一致性的要求更加严格。可以从数学上推出，若两个等幅同频信号相减后残留信号低于原信号的-20dB，需要它们的相位差小于6度；若要低于-30dB则需要相位差小于2度，所以这种应用中延迟的补偿是必不可少的。
对麦克风信号的延迟补偿有声学延迟和电路延迟两种。声学延迟是靠调节麦克风音孔和振膜之间的距离，制作不同长度的声音导管，补偿实际到达麦克风振膜的声波的延迟，此法模具的制作成本高且不灵活。电路延迟是在麦克风振膜将声音信号转换成电信号后再对电信号进行延迟，不需要特殊的声学结构，延迟既可以用专门的硬件实现，又可以在处理器中以软件中实现。
如果使用模拟电路进行延迟补偿，因为需要相位和频率成线性函数，模拟滤波器很难在宽频带内实现这一特性。若将麦克风信号转换成数字信号，使用具有线性相位特性的有限脉冲响应的滤波器(FIR)就可以实现精确的相位延迟，不过它需要消耗一定的计算资源。如果FIR中只有一个系数为1，而其余系数都是0，则它仅仅是将采样数据，即音频脉冲编码调制(Pulse Code Modulation，PCM)编码进行整数个采样周期时间的延迟后输出，不产生计算开销。
例如典型的音频采样频率48kHz下，采样周期是20.83μs那么实现N×20.83μs的延迟是最容易的。然而在20.83μs时间声波传播的距离，以空气中音速为340m/s计算，是7.08mm也就是说，对声音传播路径的补偿，只能是7.08mm的整数倍。而10kHz的声音对应波长是34mm，因此在在普通音频格式下直接对PCM数据进行延迟是不够精细的，不能满足相位补偿的需要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种有延迟功能的麦克风，以解决现有技术中存在的上述技术问题中的一个或多个。
本发明提供一种有延迟功能的麦克风，包括MEMS器件和ASIC芯片，所述MEMS器件与ASIC芯片连接并集成在麦克风的封装外壳内；所述ASIC芯片包括前置放大器、ADC模块和FIFO存储器，所述前置放大器输入端连接所述MEMS器件的输出端，所述前置放大器的输出端连接到所述ADC模块的输入端，所述ADC模块的输出端连接到所述FIFO存储器的输入端，所述FIFO存储器的输出端连接到麦克风数字输出管脚。
优选地，所述FIFO存储器具有可调节的有效长度。
优选地，所述ADC模块为Sigma-Delta调制器或ADM调制器。
优选地，所述ADC模块为Sigma-Delta调制器，所述麦克风输出的信号为PDM数字信号；
或者，所述ADC模块为ADM调制器，所述麦克风输出的信号为ADM数字信号。
优选地，所述ADC模块输出的为1-bit编码的码流，码流的速率在1Mbit/s到5Mbit/s之间。
优选地，所述ASIC芯片上还包括多bit解码模块和串行接口，所述多bit解码模块的输入端连接到所述FIFO存储器的输出端，所述多bit解码模块的输出端连接到所述串行接口的输入端，所述串行接口的输出端连接到麦克风数字输出管脚。
优选地，所述麦克风输出的信号为PCM数字信号。
优选地，所述ASIC芯片上还包括多bit解码模块、DAC模块及振荡器，所述多bit解码模块的输入端连接到所述FIFO存储器的输出端，所述多bit解码模块的输出端连接到所述DAC模块的输入端，所述DAC模块的输出端连接到麦克风模拟输出管脚，所述振荡器用于对数字电路提供时钟信号。
优选地，所述麦克风输出的信号为模拟信号。
优选地，所述ADC模块为Sigma-Delta调制器，所述多bit解码模块为降采样滤波器；
或者，所述ADC模块为ADM调制器，所述多bit解码模块为ADM解码器及降采样滤波器。
本发明提供的有延迟功能的麦克风，在麦克风的封装外壳内部集成ADC模块，不需要提供额外的音频ADC或者编译码器(Coder-DECoder，CODEC)，且采用输出1-bit(比特)编码高速码流的ADC及1-bit位宽的FIFO存储器对编码进行精细延迟处理，为使用多只麦克风的音频应用系统提供便利，另外，由于码流字长为1-bit，使硬件资源开销降低。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本发明第一实施例结构框图；
图2为本发明第二实施例结构框图；
图3为本发明第三实施例结构框图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
本发明使用数字延迟的技术，在麦克风内部实现可配置的精细的延迟，麦克风输出的信号(数字的或者模拟的)是经过延迟补偿的信号。需要模拟输出时，通过集成的数模转换器(DAC)将数字信号转换成模拟信号输出。
在Sigma-Delta结构的模数转换器(ADC)中，ADC首先得到的是1-bit的超采样数据，然后再经过数字滤波器降采样得到多bit的PCM编码数据；麦克风也可以省略降采样滤波器而直接输出1-bit编码(脉冲密度调变(Pulse-density modulation，PDM)码)，将降采样交给其它芯片完成。对这个转换过程中间的1-bit数据进行延迟即可以实现精细的信号延迟，例如典型的数字麦克风采样频率2.4MHz下，1-bit延迟的时间单位是0.417μs，这一短时间内声音传播距离仅0.142mm，远小于各麦克风之间的距离。
类似的，在采用自适应增量调制(Adaptive Delta Modulation，ADM)的ADC中，中间也有1-bit编码的ADM高速率码流，可以进行延迟操作。ADM码流经过ADM解码可以还原成多bit PCM编码。
下面结合具体实施例对本发明进行详细介绍：
如图1所示，在实施例一中，本发明提供的有延迟功能的麦克风1在其封装外壳内集成了微机电(micro-electro-mechanical system，MEMS)器件11和专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)芯片12，所述MEMS器件11与所述ASIC芯片12连接，所述MEMS器件11用于接受声音信号，并将声音信号转换为电信号，所述ASIC芯片12用于信号放大并进行延迟处理，所述ASIC芯片12上包含偏置电压产生电路为所述MEMS器件11提供偏置电压(bias voltage)。所述ASIC芯片12上包括前置放大器121、ADC模块122和FIFO(First In First Out)存储器123，所述前置放大器121的输入端连接到所述MEMS器件11的输出端，所述前置放大器121的输出端连接到所述ADC模块122的输入端，所述ADC模块122的输出端连接到所述FIFO存储器123的输入端，所述FIFO存储器123的输出端连接到麦克风的数字输出管脚，向外部提供麦克风信号。
所述ADC模块122输出的为1-bit编码高速码流，码流的速度在1Mbit/s到5Mbit/s之间，优选地，所述ADC模块122可以是Sigma-Delta调制器，输出的编码为PDM码；或者，所述ADC模块122为ADM调制器，输出的编码为ADM码。所述FIFO存储器123的有效长度可调节，所述ADC模块122输出的1-bit编码高速码流进入到所述FIFO存储器123内，实现可调时间的延迟，由于所述1-bit码流为高采样率，可实现精细延迟，且字长只有1-bit，能够降低硬件资源开销。在所述FIFO存储器123内进行处理后的1-bit的PDM或ADM编码信号通过数字输出管脚对外输出。
如图2所示，在本发明的第二实施例中，本发明提供的有延迟功能的麦克风1的所述ASIC芯片12上还包括多bit解码模块124和串行接口125，所述多bit解码模块124的输入端连接到所述FIFO存储器123的输出端，所述多bit解码模块124的输出端连接到所述串行接口模块125的输入端，所述串行接口125的输出端连接到麦克风的输出管脚，向外部提供麦克风信号。且当所述ADC模块122为Sigma-Delta调制器时，所述多bit解码模块124为降采样滤波器；当所述ADC模块122为ADM调制器时，所述多bit解码模块124为ADM解码器及降采样滤波器。
在该实施例中，所述FIFO存储器123处理后的1-bit的PDM或ADM编码码流输入到所述多bit解码模块124中进行处理后得到多bit的PCM编码数据，并提供给所述串行接口模块125，向外部提供PCM编码的麦克风信号。
上述两个实施例中所述有延迟功能的麦克风1输出的信号均为数字信号，作为数字麦克风使用，可用于数字信号处理方式的音频系统中。
如图3所示，在本发明的第三实施例中，本发明提供的有延迟功能的麦克风1向外部输出模拟信号，作为模拟麦克风使用，所述ASIC芯片12上还包括DAC模块126，所述多bit解码模块124的输出端连接到所述DAC块126的输入端，所述DAC模块126的输出端连接到麦克风的输出管脚，向外部提供模拟麦克风信号，由于所述有延迟功能的麦克风1需要在没有外部提供时钟信号的环境下工作，所以在所述ASIC芯片12上集成振荡器127，所述振荡器127向数字电路提供时钟信号。所述有延迟功能的麦克风1可用在模拟信号处理的音频系统中。
所述多bit解码模块124输出的多bit的PCM编码码流输入所述DAC模块126内，将PCM编码转换成模拟信号，再通过模拟输出管脚向外部提供模拟麦克风信号。
本发明提供的有延迟功能的麦克风1在麦克风封装外壳内集成了实现声电转换的MEMS器件11和用于麦克风的信号放大的ASIC芯片12，对麦克风信号进行处理，且在所述ASIC芯片12上集成的ADC模块122进行数据的过采样，并通过所述FIFO存储器123对所述ADC模块122输出的1-bit高速码流进行精细延迟处理。
应当说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种有延迟功能的麦克风，其特征在于，包括MEMS器件和ASIC芯片，所述MEMS器件与ASIC芯片连接并集成在麦克风的封装外壳内；所述ASIC芯片包括前置放大器、ADC模块和FIFO存储器，所述前置放大器输入端连接到所述MEMS器件的输出端，所述前置放大器的输出端连接到所述ADC模块的输入端，所述ADC模块的输出端连接到所述FIFO存储器的输入端，所述FIFO存储器的输出端连接到麦克风数字输出管脚。
2.根据权利要求1所述的有延迟功能的麦克风，其特征在于，所述FIFO存储器具有可调节的有效长度。
3.根据权利要求1所述的有延迟功能的麦克风，其特征在于，所述ADC模块为Sigma-Delta调制器或ADM调制器。
4.根据权利要求3所述的有延迟功能的麦克风，其特征在于，所述ADC模块为Sigma-Delta调制器，所述麦克风输出的信号为PDM数字信号；
或者，所述ADC模块为ADM调制器，所述麦克风输出的信号为ADM数字信号。
5.根据权利要求3所述的有延迟功能的麦克风，其特征在于，所述ADC模块输出的为1-bit编码的码流，码流的速率在1Mbit/s到5Mbit/s之间。
6.根据权利要求5所述的有延迟功能的麦克风，其特征在于，所述ASIC芯片上还包括多bit解码模块和串行接口，所述多bit解码模块的输入端连接到所述FIFO存储器的输出端，所述多bit解码模块的输出端连接到所述串行接口的输入端，所述串行接口的输出端连接到麦克风数字输出管脚。
7.根据权利要求6所述的有延迟功能的麦克风，其特征在于，所述麦克风输出的信号为PCM数字信号。
8.根据权利要求5所述的有延迟功能的麦克风，其特征在于，所述ASIC芯片上还包括多bit解码模块、DAC模块及振荡器，所述多bit解码模块的输入端连接到所述FIFO存储器的输出端，所述多bit解码模块的输出端连接到所述DAC模块的输入端，所述DAC模块的输出端连接到麦克风模拟输出管脚，所述振荡器用于对数字电路提供时钟信号。
9.根据权利要求8所述的有延迟功能的麦克风，其特征在于，所述麦克风输出的信号为模拟信号。
10.根据权利要求6或8所述的有延迟功能的麦克风，其特征在于，所述ADC模块为Sigma-Delta调制器，所述多bit解码模块为降采样滤波器；
或者，所述ADC模块为ADM调制器，所述多bit解码模块为ADM解码器及降采样滤波器。
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