CN111095948B - 用于减少麦克风噪声的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

数字麦克风设备包括可以减少由数字麦克风设备输出的数字信号中的空闲音频率分量引起的噪声风险的电路。在立体声模式和在两个或更多个这样的麦克风之间发生干扰的其他应用中，每个麦克风设备包括具有对应的空闲音频率的数字输出，其中的一个空闲音频率被偏移以将噪声分量偏移到期望的频率范围之外。

Description

用于减少麦克风噪声的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年9月8日提交的美国临时专利申请No.62/556,181的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及麦克风，并且更具体地涉及在数字麦克风中(例如，在数字微机电系统(MEMS)麦克风设备中)的噪声或干扰的减少，及其方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)麦克风被部署在各种设备中，所述设备包括消费电子产品和车辆，以及其他应用和主机设备。这种麦克风包括一个或更多个换能器和一个或更多个集成电路的组件，该组件通常设置在由盖或盖子形成的壳体中，该盖或盖子被紧固至具有外部设备接口的基板。该换能器被实现为MEMS管芯，该MEMS管芯经由穿过盖或基板的声学端口来检测壳体内的压力变化，并且该接口通常被配置为使用回流焊接或其他技术将其表面安装在印刷电路板上。
一些MEMS麦克风基于数字电路时钟的频率来输出具有空闲音频率的数字信号。例如，PDM麦克风输出包括空闲音频率的1比特(bit)PDM信号，所述空闲音频率是时钟频率的一半。在采用两个或更多个麦克风的立体声和其他应用中，空闲音频率的混合或其他效果可能会在一个或两个麦克风的输出处引起不需要的噪声。空闲音频率可能会由于制造差异或其他原因而略有不同。
图1描绘了第一标绘图(plot)100，第一标绘图100示出了在频谱中由立体声系统中的左麦克风和右麦克风生成的不同的空闲音频率。特别地，第一标绘图100描绘了在立体声系统中分别由左麦克风信号和右麦克风信号生成的第一空闲音频率104(标记为“f-空闲-1”)和第二空闲音频率106(标记为“f-空闲-2”)。图2描绘了第二标绘图200，第二标绘图200例示出了通过混合图1中的不同空闲音频率f-空闲-1104和f-空闲-2 106而得到的互调(IM)分量208(标记为“Δf”)，其中，IM分量208位于可能引起噪声或干扰的工作频率范围210中。
发明内容
本公开提供了一种麦克风系统，该麦克风系统包括：第一麦克风组件，该第一麦克风组件包括第一微机电系统MEMS换能器和第一集成电路，该第一集成电路被配置为：将所述第一MEMS换能器产生的第一模拟信号转换为第一数字信号；将所述第一数字信号转换为第一脉冲密度调制PDM信号，以产生第一数字麦克风输出信号；以及在公共接口上提供所述第一数字麦克风输出信号；以及第二麦克风组件，该第二麦克风组件包括第二MEMS换能器和第二集成电路，该第二集成电路被配置为：将所述第二MEMS换能器产生的第二模拟信号转换为第二数字信号；从所述第二数字信号中去除直流DC信号分量；向所述第二数字信号施加DC偏移以影响所述第二数字信号的空闲音频率；将所述第二数字信号转换为第二PDM信号，以产生第二数字麦克风输出信号；以及在所述公共接口上提供所述第二数字麦克风输出信号。
本公开还提供了一种麦克风组件，该麦克风组件包括：微机电系统MEMS换能器，该MEMS换能器被配置为响应于声学信号而产生模拟信号；以及集成电路，该集成电路耦合到所述MEMS换能器，并且被配置为：将所述模拟信号转换为数字信号；从所述数字信号中去除直流DC信号分量；向所述数字信号施加DC偏移以影响所述数字信号的空闲音频率；以及将所述数字信号转换为PDM信号以产生数字麦克风输出信号。
本公开还提供了一种麦克风组件中的方法，所述麦克风组件包括微机电系统MEMS换能器和集成电路，该方法包括以下步骤：将所述MEMS换能器产生的模拟信号转换为数字信号；从所述数字信号中去除直流DC信号分量；向所述数字信号施加DC偏移以影响所述数字信号的空闲音频率；以及在向所述数字信号施加所述DC偏移之后，将所述数字信号转换为脉冲密度调制PDM信号，以产生数字麦克风输出信号。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述和所附权利要求，本公开的前述和其他特征将变得更加显而易见。应当理解，这些附图仅描绘了根据本公开的若干实施方式，因此不应被认为是对其范围的限制。将通过使用附图以附加的特征和细节来描述本公开。
图1描绘了第一标绘图，其示出了由立体声系统中的左麦克风和右麦克风产生的不同的空闲音频率。
图2描绘了第二标绘图，其例示出了由图1中描绘的不同空闲音频率的混合而产生的互调分量。
图3描绘了用于处理声学信号的数字麦克风设备。
图4描绘了由图3中所示类型的两个不同麦克风设备产生的空闲音的第三标绘图。
图5描绘了由图4所示的空闲音的混合而产生的互调频率分量的第四标绘图。
图6例示出了包括以立体声模式连接的左数字麦克风设备和右数字麦克风设备的系统。
图7例示出了示例性底部端口数字麦克风组件的横截面图。
图8示出了用于减少空闲音频率噪声的示例处理800的流程图。
图9描绘了示例测试数据，该示例测试数据示出了数字麦克风系统中的噪声分量的衰减。
在下面的具体实施方式中，参考形成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另外指出，否则相似的符号通常标识相似的部件。在具体实施方式、附图和权利要求书中描述的说明性实施方式并不意味着是限制性的。在不脱离本文提出的主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施方式，并且可以进行其他改变。容易理解的是，可以以多种不同的配置来设置、替换、组合和设计通常如本文所描述的和在附图中例示出的本公开的各方面，所有这些都被明确地构想并且成为本公开的一部分。
具体实施方式
本公开中描述了用于减少数字麦克风设备中的噪声的设备和方法，例如包括微机电(MEMS)换能器的那些数字麦克风设备。在一些实施方式中，在采用多个麦克风的应用中(例如，在多个麦克风共享公共总线的情况下，或者在多个麦克风受到来自其他麦克风的干扰信号的情况下)，所描述的设备和技术减少了由空闲音频率的混合或其他效果引起的噪声。在一个实施方式中，两个数字麦克风设备中的一个数字麦克风设备的空闲音频率可以相对于另一个麦克风设备的空闲音频率偏移，以根据以下表达式将互调(IM)或混频分量移到感兴趣的频率范围之外：
|f空闲1–f空闲2|>感兴趣的带宽
对于音频应用，感兴趣的带宽在约20Hz和约20kHz之间。可感知的音频频率范围因人而异，并且通常取决于遗传变异和年龄等因素。然而，在其他应用中，感兴趣的带宽可以部分或全部位于音频频带之外。更一般地，在两个以上的麦克风彼此干扰的情况下，所有麦克风输出的空闲音频率可以分开，以避免感兴趣频带中的噪声。在一个实施方式中，各个麦克风被硬连线以提供一个空闲模式频率或另一个空闲模式频率的输出。对于立体声模式应用，可以使用针对不同的空闲音频率硬连线的两个麦克风，以避免干扰或噪声。在另选实施方式中，两个麦克风中的一个麦克风被配置为在某些条件下(例如在立体声模式下使用时)相对于另一个麦克风选择性地偏移该麦克风的空闲模式频率。在需要两个以上麦克风的应用中，可以通过使用具有不同空闲音频率的麦克风来消除或减少噪声。在此也可以使用不同的硬连线麦克风，或者另选地，当需要将IM分量移到感兴趣的频带之外时，可以针对不同的空闲音频率选择性地配置麦克风。
在实施方式中，数字麦克风组件将声学换能器输出的模拟信号转换成数字信号。在一个实现中，换能器是微机电系统(MEMS)换能器，但是可以另选地使用其他类型的换能器。在将数字信号转换为具有空闲音频率的脉冲密度调制(PDM)信号之前从数字信号中去除直流(DC)信号分量，该空闲音频率近似为集成电路的至少一部分被计时(clock)的频率的一半。在去除DC信号分量之后以及将数字信号转换为PDM信号之前，通过向数字信号施加DC偏移来选择性地偏移空闲音频率。
在另一实施方式中，麦克风设备包括声学微机电系统(MEMS)换能器，该声学微机电系统换能器被配置为响应于声学信号而产生模拟信号；以及耦合至换能器的信号处理电路。信号处理电路包括模数转换器，该模数转换器被配置为将由换能器产生的模拟信号转换为数字信号。信号处理电路还包括滤波器，该滤波器被配置为从数字信号中去除直流(DC)信号分量。信号处理电路还包括DC偏移电路，该DC偏移电路被配置为在去除DC分量之后向数字信号施加DC偏移。信号处理电路还包括数字到数字转换器，该数字到数字转换器被配置为将具有DC偏移的数字信号转换为具有空闲音频率的脉冲密度调制(PDM)信号，该空闲音频率近似为提供给信号处理电路的至少一部分的时钟频率的一半。
在实施方式中，用于麦克风设备的音频信号处理电路包括模数转换器，该模数转换器被配置为将从声学换能器接收的模拟信号转换为数字信号。信号处理电路还包括滤波器，该滤波器被配置为从数字信号中去除直流(DC)信号分量。信号处理电路还包括DC偏移电路，该DC偏移电路被配置为在去除DC信号分量之后向数字信号施加DC偏移。信号处理电路还包括数字到数字转换器，该数字到数字转换器被配置为在向数字信号施加DC偏移之后将数字信号转换为1比特脉冲密度调制(PDM)信号，其中PDM信号具有被所述DC偏移所偏移的空闲音频率，并且所偏移的空闲音频率近似为提供给信号处理电路的至少一部分的时钟频率的一半。
图3描绘了数字麦克风设备300，该数字麦克风设备300包括换能器304和电路350，该电路350用于以用于处理声学信号并用于如上结合图1和图2所讨论的去除或减少由空闲频率引起的噪声。电路350包括：信号处理电路306、高通滤波器(HPF)312、DC值输入部316、加法器314和数字到数字转换器(DDC)308。在一个或更多个实施方式中，可以在一个或更多个集成电路(例如专用集成电路(ASIC)、可编程数字信号处理器或其组合)中实现信号处理电路306、HPF 312、加法器314、DC值输入部316和DDC 308中的一些或全部。MEMS换能器304可以将声能转换为模拟电信号。例如，MEMS换能器304可以产生表示入射到MEMS换能器304上的声能的模拟信号。信号处理电路306可以包括模拟和/或数字电路，例如，诸如放大器、滤波器、模数转换器、数字信号处理器和用于处理从MEMS换能器304接收的模拟信号的其他电路。例如，信号处理电路306可以对从MEMS换能器304接收的模拟信号执行模拟信号放大、模拟滤波和电平移位。附加处理可以包括模拟信号采样、模数转换、数字滤波和其他数字处理操作。可以将时钟信号382提供给电路350。虽然在图3中将时钟信号382示出为提供给信号处理电路306，但是可以将时钟信号382或时钟信号382的倍数或分频(division)提供给电路350的任何组件。也可以将不同的时钟信号提供给数字麦克风设备300的不同部分。
信号处理电路306可以处理从MEMS换能器304接收的模拟信号并生成多比特数字信号，其中表示该数字信号的比特数可以是例如从2比特到64比特，或20比特。信号处理电路306可以下述频率来输出数字信号：该频率是时钟信号382的频率fclk的函数。例如，在一个或更多个实施方式中，信号处理电路306可以以等于时钟频率fclk的频率来输出数字信号。
HPF 312接收由信号处理电路306生成的数字信号，并对数字信号进行滤波以生成滤波后的数字信号。HPF 312是高通滤波器，并且衰减数字信号的低于截止频率的频率分量。HPF 312可以具有足够低的截止频率，以实质上衰减或完全去除数字信号的直流(DC)分量。例如，HPF 312的截止频率可以设置为几个Hz，例如诸如设置为约5Hz或设置为约10Hz。因此，由HPF 312输出的滤波后的数字信号不包括高度衰减的DC分量或包括高度衰减的DC分量。HPF可以实现为无限冲激响应(IIR)滤波器、有限冲激响应(FIR)滤波器或适合于去除DC分量的一些其他数字滤波器。
将由HPF 312输出的滤波后的数字信号提供给加法器314。加法器314还从DC值输入部316接收DC值。加法器可以将从DC值输入部316接收到的DC值与从HPF 312接收到的滤波后的数字信号相加，并生成偏移数字信号。加法器314可以包括数字加法器，该数字加法器可以将DC值与滤波后的数字信号的时间采样值相加。
DDC 308从加法器314接收偏移数字信号，并将偏移数字信号转换为编码数字信号。DDC 308可以包括将多比特数字信号转换为另一个多比特数字信号或单比特数字信号的数字到数字转换器。在一些这样的实施方式中，转换后的数字信号的比特数可以等于或小于输入数字信号的比特数。例如，输入数字信号可以是20比特信号，并且转换后的数字信号可以是1比特信号。在一些其他这样的实现中，转换后的数字信号的比特数可以大于输入数字信号的比特数。在一个或更多个实施方式中，DDC 308可包括用于转换多比特数字信号的数字编码器。例如，可以使用1比特脉冲密度调制(PDM)编码器，该1比特脉冲密度调制(PDM)编码器可以将多比特脉冲编码调制(PCM)数字信号转换为对应的1比特数字信号流。因此，DDC 308的输出可以是1比特编码的数字信号。
DDC 308将编码的数字信号输出到数据互连380上，该数据互连380可以连接到编解码器或数字信号处理器以进行进一步处理。例如，当数字麦克风设备300以立体声模式连接时，数据互连也可以连接到另一个数字麦克风设备。在立体声模式下，可以经由数据互连380将数字麦克风设备300和另一个数字麦克风设备两者的编码的数字信号提供给数字信号处理器或编解码器。该两个编码数字信号可以在数据互连380上进行时域多路复用。在时域多路复用中，第一数字麦克风设备可以被配置为在时钟信号382的第一沿(上升或下降沿)输出第一编码数字信号，而第二数字麦克风设备可以被配置为在时钟信号382的第二沿(下降或上升)输出第二编码数字信号。当然，也可以使用其他时域复用技术或其他复用技术。在一些实施方式中，数字麦克风设备300可以包括L/R输入310，指示数字麦克风设备300被分配到的音频通道。例如，数字麦克风设备300的L/R输入310连接到第一电压(例如，电源电压，VDD)可以指示数字麦克风设备300被分配给左音频通道，而L/R输入310连接到第二电压(例如，接地电压，GND)可以指示数字麦克风设备300被分配给右音频通道。
与数字麦克风设备300相关联的第一空闲音频率可以是时钟频率fclk和由第一DDC编码的数字信号的DC值的函数。在一些实施方式中，该关系可以由以下等式(1)给出：
Figure GDA0002402594380000071
其中，f空闲-1表示空闲音频率，fclk表示时钟信号的时钟频率，并且DC表示提供给DDC的数字信号的DC值(参考数字满刻度)。在一些实现中，fclk可以表示由DDC308输出的1比特编码数字信号的采样频率。通过选择特定的DC值，可以改变空闲音频率f空闲-1。图2所示的空闲噪声分量208是图1所示的第一空闲音频率104与第二空闲音频率106之间的差的结果。图1所示的第一空闲音频率104可以表示由图3的数字麦克风设备300生成的空闲音频率。因此，通过改变第一空闲音的频率，可以改变噪声分量的频率。噪声分量的频率的变化部分地是DC值的函数。因此，可以选择适当的DC值，以使得噪声分量的频率的对应变化足以将噪声分量移到工作频率范围之外，如本文中进一步所讨论的。
图4描绘了图3所示类型的两个不同的麦克风设备产生的第一空闲音(f空闲-1)和第二空闲音(f空闲-2)的第三标绘图400。图5描绘了由于混合图4所示的空闲音而产生的互调频率分量的第四标绘图500。第三标绘图400示出了第一空闲音404的频率从f空闲-1变为f'空闲-1。结果，如第四标绘图500所示，作为IM频率的噪声分量508的频率从f噪声变为f'噪声，其在工作频率范围510之外。
再次参考图3，由HPF 312输出的滤波后的数字信号基本上没有DC信号分量。滤波后的数字信号被提供给加法器314，加法器314将由DC值输入部316提供的DC值与滤波后的数字信号相加，以生成偏移数字信号。偏移数字信号由DDC 308处理以生成编码的数字信号，该编码的数字信号包括具有频率f'空闲-1的空闲音，该频率f'空闲-1相对于在没有DC偏移的情况下会产生的空闲音频率发生了偏移。在图4中，由第二数字麦克风设备产生的第二空闲音406将具有约为时钟频率的一半的频率f空闲-2。作为结果，在适当选择DC值的情况下，两个空闲音的频率之间的差将导致在工作频率范围510之外的噪声分量508。通过将噪声分量508移到工作频率范围510之外，可以改善由数字麦克风设备生成的信号的信噪比。
图6例示出了一种系统600，该系统600包括以立体声模式连接的左数字麦克风设备602和右数字麦克风设备604。左数字麦克风设备602和右数字麦克风设备604可以是包括换能器和处理电路的设备，以产生与入射音频能量相对应的数字信号。左数字麦克风设备602和右数字麦克风设备604中的每一个都可以实现为图3所示的数字麦克风设备。左数字麦克风设备602包括左高通滤波器(HPF)616、左加法器606、左DC值输入部608和左数字到数字转换器(DDC)610。尽管未示出，但左数字麦克风设备602还包括音频换能器(例如诸如MEMS换能器)和信号处理电路，该信号处理电路可以处理由音频换能器产生的信号并生成提供给左HPF 616的左数字信号612。右数字麦克风设备604包括右HPF 654、右加法器656、右DC值输入部658和右DDC 660。虽然未示出，但是右数字麦克风设备604还包括音频换能器(例如诸如MEMS换能器)和信号处理电路，该信号处理电路可以处理由音频换能器产生的信号，并生成提供给右HPF 654的右数字信号652。音频换能器和信号处理电路可以类似于上面结合图3讨论的换能器和信号处理电路。左DDC 610可以生成左编码数字信号614，而右DDC 660可以生成右编码数字信号664。左编码数字信号和右编码数字信号可以在数据互连675上进行时域多路复用。
左数字麦克风设备602和右数字麦克风设备604两者均包括外部设备接口。在一个实施方式中，外部设备接口包括VDD端子、SEL(选择)端子、GND端子、CLK(时钟)端子和SDO(数字输出)端子。VDD端子接收电源电压，GND端子连接到接地电压，SEL端子基于对应的设备是分配给左通道还是右通道而连接到VDD或GND(SEL端子可以耦合到上面结合图3讨论的L/R输入310)。例如，左数字麦克风设备602的SEL端子耦合至VDD以将其分配给左通道，而右数字麦克风设备604的SEL端子耦合至GND以将其分配给右通道。CLK端子接收时钟信号，并且SDO端子耦合到数据互连675，该数据互连675进而连接到诸如DSP和编解码器的附加处理电路。在其他实施方式中，取决于接口协议，接口可以具有其他端子或触点。
左数字麦克风设备602和右数字麦克风设备604中的每一个能够在其各自的SDO端子处生成偏移编码数字信号。在一个或更多个实施方式中，两个麦克风设备中的仅一个可以生成偏移编码数字信号。例如，如果启用左DC值输入部608以将DC信号分量与左滤波的数字信号相加，则禁用右DC值输入部658，从而将右HPF 654输出的右滤波数字信号在不加DC信号分量(例如，通过加上零DC值输入)的情况下馈送到右DDC 660。当然，在一些实施方式中，启用右DC值输入部658，以在右滤波数字信号被馈送到右DDC 660之前将DC信号分量与右滤波数字信号相加，并且可以禁用左DC值输入部608，从而将左HPF 616输出的左滤波数字信号在不加DC信号分量(例如，通过加上零DC值输入)的情况下馈送到左DDC 610。
在一些实施方式中，左SEL端子和右SEL端子可以用于确定启用左DC值输入部608和右DC值输入部658中的哪一个。如上所述，在立体声模式下，左SEL端子和右SEL端子中的一个SEL端子连接到VDD，而另一个SEL端子可以连接到GND。只能启用对应的SEL耦合至GND的数字麦克风设备的DC值输入部。例如，在图6所示的系统600中，由于右SEL端子耦合至GND，而右SEL端子耦合至VDD，因此将启用右DC值输入部658。在一些实施方式中，仅启用分配给右声道的数字麦克风设备的DC值输入，而禁用分配给左声道的数字麦克风设备的DC值输入。在一些实施方式中，可以应用相反的情况。右数字麦克风设备生成的右偏移数字信号可以类似于以上结合图3所讨论的由DDC 308生成的偏移编码信号，导致噪声信号被移到系统600的工作频率范围之外。
在一个或更多个实施方式中，左DC值输入部608和右DC值输入部658两者都可以被启用，使得左数字麦克风设备602和右数字麦克风设备604两者都生成各自的偏移编码数字信号。在一些这样的实施方式中，选择使由左DC值输入部608添加的DC信号分量和由右DC值输入部658添加的DC信号分量不相等。具体地，可以选择这些DC信号分量的值的差，使得所得噪声分量的频率超过工作频率范围之外。也就是说，参考图4和图5，右DC值输入部658可以输出DC分量，使得第二空闲音f空闲-2也被改变(以与上述用于改变f空闲-1的等式(1)类似的方式)，使得第一空闲音和第二空闲音两者的改变都有助于噪声分量508的频率变化。在一些实现中，可以选择左DC值输入部608和右DC值输入部658，使得一个DC值输入部添加正DC信号分量，而另一个DC值输入部添加负DC信号分量。这可能导致与左数字麦克风设备602相关联的空闲音频率降低，而与右数字麦克风设备604相关联的空闲音频率增大，从而将噪声分量的频率增加到系统600的工作频率范围之外的值。
在一个实施方式中，声学换能器是被实现为MEMS管芯的电容式麦克风。在其他实施方式中，换能器是被实现为MEMS管芯的压电换能器或使用已知技术或未来技术来实现的一些其他机电换能器。
图7例示出了示例性底部端口数字麦克风组件750的横截面图，该示例性底部端口数字麦克风组件750可用于实现数字麦克风设备。特别地，示例数字麦克风组件750可以用于实现以上结合图6讨论的左数字麦克风设备602和右数字麦克风设备604。
数字麦克风组件750包括基板722和设置在基板722上以形成壳体的盖子或盖716。壳体包围MEMS换能器720和集成电路(IC)708。MEMS换能器720包括可移位膜片，该可移动膜片被定位成紧邻背板。膜片被配置为响应于入射声能而相对于背板移动，从而改变膜片与背板之间的电容。电容的变化可以转换成电信号(例如电流或电压)的变化。基板722限定声音端口724。另选地，声音端口可以形成在盖子中。在任一种情况下，MEMS换能器720都将壳体的容积分为前部容积和后部容积。在底部端口设备中，前部容积726通过端口724向数字麦克风组件750的外部开放。后部容积728被盖716封闭的空间包围。端口724允许声能进入前部容积726并入射在MEMS换能器720上，该MEMS换能器720将入射的声能转换成对应的电信号。MEMS换能器720产生的电信号可以由IC 708处理，IC 708可以包括上面参考图3讨论的模拟和数字电路。数字麦克风组件750还可以包括外部设备接口，该外部设备接口包括一个或更多个端子(例如上面结合图6讨论的端子)。可以使用引脚、焊盘、导线和其他电连接器来实现端子。外部设备接口包括形成在基板722或盖子716上的触点或端子。这些端子通过电导体耦合到数字麦克风组件750内部的组件。
图8示出了用于减少空闲音频率噪声的示例处理800的流程图。处理800包括将由声学换能器输出的模拟信号转换成数字信号(阶段802)。例如，如图3所示，信号处理电路306将由MEMS换能器304输出的模拟信号转换成数字信号。该方法还包括从数字信号中去除直流(DC)信号分量(阶段804)。例如，如图3所示，HPF 312从信号处理电路306输出的数字信号中过滤或去除DC分量。
处理800还包括在去除DC信号分量之后，将数字信号转换为具有近似为时钟频率的一半的空闲音频率的脉冲密度调制(PDM)信号(阶段806)。例如，如图3所示，DDC 308使用脉冲密度调制将HPF 312输出的滤波后的数字信号转换为编码数字信号。此外，如图4所示，编码数字信号包括具有频率f空闲-1的第一空闲音404，该频率f空闲-1近似等于时钟频率fclk的一半。
该处理另外包括：在去除DC信号分量之后并且在将数字信号转换成PDM信号之前，通过向数字信号施加DC偏移来偏移空闲音频率，其中，施加DC偏移之前的空闲音频率与施加DC偏移之后的空闲音频率的差大于预定带宽(阶段808)。上面已经结合图3至图5讨论了该处理阶段的一个示例。例如，如图3所示，在DDC 308将滤波后的数字信号转换成编码数字信号之前，加法器314将DC值加到HPF 312输出的滤波的数字信号上。如图4所示，通过添加DC值，使第一空闲音404的频率从f空闲-1移到f'空闲-1。这进而导致噪声分量508的频率从f噪声变为f'噪声，如图5所示。第一空闲音404的频率变化被选择为使得足以将噪声分量508的频率移动到期望的工作频率范围510之外。在一些实施方式中，第一空闲音404的频率偏移可以近似等于工作频率范围510。如上所述，在一些实施方式中，工作频率范围可以等于人类能够听见的频率范围。然而，在其他实施方式中，例如在使用超声信号的应用中，工作频率范围超出了人类能够听到的频率范围。
图9描绘了示例测试数据900，该示例测试数据900示出了当在立体声模式(即，“左”麦克风和“右”麦克风以图6所例示的方式连接)下使用时数字麦克风系统中的噪声分量的衰减。特别地，测试数据900示出了在约100Hz到约2kHz的频率范围内的第一功率谱密度(PSD)波形902和第二PSD波形904。第一PSD波形902和第二PSD波形904表示由数字转换器输出的编码数字信号(例如由DDC 308输出的编码数字信号(图3))的PSD。第一PSD波形902表示当未将DC偏移(例如DC值输入部316)施加到由数字转换器转换的数字信号时的编码数字信号的PSD。第二PSD波形904表示当(例如由DC值输入部316提供的)DC值被加到数字信号时的编码数字信号的PSD。由于空闲音而导致的噪声分量的减小反映在第二PSD波形904的PSD相对于第一PSD波形902的PSD的减小中。例如，在约200Hz时，可以看到PSD的减小约为8dB。
在一个方面，本公开描述了一种数字麦克风组件中的方法，该数字麦克风组件包括声学微机电系统(MEMS)换能器和集成电路。该方法包括：将声学换能器输出的模拟信号转换为数字信号。该方法还包括：从数字信号中去除直流(DC)信号分量。该方法进一步包括：在去除DC信号分量之后，将数字信号转换为具有空闲音频率的脉冲密度调制(PDM)信号，该空闲音频率近似为集成电路的至少一部分被计时的频率的一半。该方法还包括在去除DC信号分量之后以及在将数字信号转换为PDM信号之前，通过向数字信号施加DC偏移来偏移空闲音频率。
在一些实施方式中，该方法还可以包括：响应于指示麦克风组件正在以立体声模式使用的信号而偏移空闲音频率，并且在没有指示麦克风组件正在以立体声模式使用的信号的情况下，则不偏移空闲音频率。在一些实施方式中，声学换能器和集成电路被设置在麦克风组件的壳体中，其中，接收指示麦克风组件正在以立体声模式使用的信号能够经由麦克风组件的外部设备接口来接收。在一些实施方式中，将数字信号转换为PDM信号包括：将数字信号转换为1比特PDM信号。在一些实施方式中，具有DC偏移的空闲音频率与不具有DC偏移的空闲音频率之间的差大于人类能够听到的频率范围。在一些实施方式中，将由声学换能器输出的模拟信号转换为数字信号包括：使用多比特转换器来转换模拟信号。在一些实施方式中，从数字信号中去除直流(DC)信号分量包括：用高通滤波器对数字信号进行滤波。
在一些方面，本公开描述了一种麦克风设备。麦克风设备包括声学微机电系统(MEMS)换能器，声学微机电系统换能器被配置为响应于声学信号而产生模拟信号。麦克风设备还包括耦合到换能器的信号处理电路。信号处理电路包括模数转换器，模数转换器被配置为将由换能器产生的模拟信号转换为数字信号。信号处理电路还包括滤波器，滤波器被配置为从数字信号中去除直流(DC)信号分量。信号处理电路还包括DC偏移电路，该DC偏移电路被配置为在去除DC分量之后向数字信号施加DC偏移。信号处理电路还包括数字到数字转换器，数字到数字转换器被配置为将具有DC偏移的数字信号转换为具有空闲音频率的脉冲密度调制(PDM)信号，该空闲音频率近似为信号处理电路的至少一部分的时钟频率的一半。空闲音频率被施加到数字信号的DC偏移所偏移。
在一些实施方式中，信号处理电路还被配置为响应于接收指示麦克风组件正在以立体声模式使用的信号而施加DC偏移，并且在没有指示麦克风组件正在以立体声模式使用的信号的情况下，则不施加DC偏移。在一些实施方式中，换能器和信号处理电路被设置在包括表面安装外部设备接口的壳体中，其中，能够经由外部设备接口来接收指示麦克风组件正在以立体声模式使用的信号。在一些实施方式中，PDM信号是1比特PDM信号。在一些实施方式中，偏移的空闲音频率与将在没有DC偏移的情况下产生的空闲音频率之间的差大于与人类能够听到的频率范围相对应的带宽。在一些实施方式中，模数转换器是多比特转换器。在一些实施方式中，滤波器是高通滤波器。
在一些方面，本公开讨论了麦克风设备的音频信号处理电路。该电路包括模数转换器，模数转换器被配置为将从声学换能器接收到的模拟信号转换为数字信号。该电路进一步包括滤波器，滤波器被配置为从数字信号中去除直流(DC)信号分量。该电路还包括DC偏移电路，DC偏移电路被配置为在去除DC分量之后向数字信号施加DC偏移。该电路还包括数字到数字转换器，数字到数字转换器被配置为在向数字信号施加DC偏移之后将数字信号转换为1比特脉冲密度调制(PDM)信号，其中，PDM信号具有被DC偏移所偏移的空闲音频率，并且偏移的空闲音频率近似为数字到数字转换器的时钟频率的一半。
在一些实施方式中，信号处理电路还被配置为响应于接收到选择信号而向数字信号选择性地施加DC偏移。在一些实施方式中，PDM信号是1比特PDM信号。在一些实施方式中，偏移的空闲音频率与将在没有DC偏移的情况下产生的空闲音频率之间的差大于与人类能够听到的频率范围相对应的带宽。在一些实施方式中，模数转换器是多比特转换器。在一些实施方式中，滤波器是高通滤波器。
为了说明和描述的目的，已经给出了说明性实施方式的前述描述。相对于所公开的精确形式，并非旨在是详尽的或限制性的，并且根据以上教导，修改和变型是可能的，或者可以从所公开的实施方式的实践中获得。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (20)

1.一种麦克风系统，该麦克风系统包括：
第一麦克风组件，该第一麦克风组件包括第一微机电系统MEMS换能器和第一集成电路，该第一集成电路被配置为：
将所述第一MEMS换能器产生的第一模拟信号转换为第一数字信号；
将所述第一数字信号转换为第一脉冲密度调制PDM信号，以产生第一数字麦克风输出信号；以及
在公共接口上提供所述第一数字麦克风输出信号；以及
第二麦克风组件，该第二麦克风组件包括第二MEMS换能器和第二集成电路，该第二集成电路被配置为：
将所述第二MEMS换能器产生的第二模拟信号转换为第二数字信号；
从所述第二数字信号中去除直流DC信号分量；
向所述第二数字信号施加DC偏移以影响所述第二数字信号的空闲音频率；
将所述第二数字信号转换为第二PDM信号，以产生第二数字麦克风输出信号；以及
在所述公共接口上提供所述第二数字麦克风输出信号。
2.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述第一集成电路被配置为在不向所述第一数字信号施加DC偏移的情况下产生所述第一数字麦克风输出信号。
3.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述第二集成电路被配置为响应于在所述第二麦克风组件的外部设备接口上接收到选择信号而向所述第二数字信号施加所述DC偏移。
4.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，施加到所述第二数字信号的所述DC偏移的值是可调的，并且其中，所述空闲音频率与施加到所述第二数字信号的所述DC偏移的所述值和与所述第二PDM信号相关联的采样频率有函数关系。
5.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述第二数字麦克风输出信号包括单比特PDM信号，并且其中，所述第二集成电路被配置为在将所述第二数字信号转换为所述第二PDM信号之前向所述第二数字信号施加所述DC偏移。
6.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述第二集成电路被配置为响应于接收到如下信号而向所述第二数字信号施加所述DC偏移，所述信号指示所述麦克风系统正在工作，其中，所述第一数字麦克风输出信号和所述第二数字麦克风输出信号在所述公共接口上被多路复用。
7.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，施加到所述第二数字信号的所述DC偏移的值是可调的，并且其中，所述空闲音频率与施加到所述第二数字信号的所述DC偏移的所述值和与所述第二集成电路相关联的时钟频率有函数关系。
8.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述公共接口上的所述第一数字麦克风输出信号和所述第二数字麦克风输出信号的组合空闲音频率在人类能够听到的频率范围之外。
9.一种麦克风组件，该麦克风组件包括：
微机电系统MEMS换能器，该MEMS换能器被配置为响应于声学信号而产生模拟信号；以及
集成电路，该集成电路耦合到所述MEMS换能器，并且被配置为：
将所述模拟信号转换为数字信号；
从所述数字信号中去除直流DC信号分量；
向所述数字信号施加DC偏移以影响所述数字信号的空闲音频率；以及
将所述数字信号转换为PDM信号以产生数字麦克风输出信号。
10.根据权利要求9所述的麦克风组件，其中，所述集成电路被配置为响应于在所述麦克风组件的外部设备接口上接收到选择信号而向所述数字信号施加所述DC偏移。
11.根据权利要求9所述的麦克风组件，其中，所述集成电路被配置为基于与所述麦克风组件相关联的工作模式而向所述数字信号施加所述DC偏移。
12.根据权利要求9所述的麦克风组件，其中，施加到所述数字信号的所述DC偏移的值是可调的，并且其中，所述空闲音频率与施加到所述数字信号的所述DC偏移的所述值和与所述PDM信号相关联的采样频率有函数关系。
13.根据权利要求9所述的麦克风组件，其中，施加到所述数字信号的所述DC偏移的值是可调的，并且其中，所述空闲音频率与施加到所述数字信号的所述DC偏移的所述值和与所述集成电路相关联的时钟频率有函数关系。
14.根据权利要求9所述的麦克风组件，其中，所述集成电路被配置为在麦克风系统的共享接口上提供所述数字麦克风输出信号。
15.一种麦克风组件中的方法，所述麦克风组件包括微机电系统MEMS换能器和集成电路，该方法包括以下步骤：
将所述MEMS换能器产生的模拟信号转换为数字信号；
从所述数字信号中去除直流DC信号分量；
向所述数字信号施加DC偏移以影响所述数字信号的空闲音频率；以及
在向所述数字信号施加所述DC偏移之后，将所述数字信号转换为脉冲密度调制PDM信号，以产生数字麦克风输出信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，向所述数字信号施加DC偏移的步骤包括：响应于在所述麦克风组件的外部设备接口上接收到选择信号而向所述数字信号施加所述DC偏移。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述空闲音频率与所述DC偏移的值和与所述PDM信号相关联的采样频率有函数关系。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述空闲音频率与所述DC偏移的值和与所述集成电路相关联的时钟频率有函数关系。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，向所述数字信号施加DC偏移的步骤包括：基于与所述麦克风组件相关联的工作模式，向所述数字信号施加所述DC偏移。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，将所述数字信号转换为PDM信号的步骤包括：产生单比特PDM信号。
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