CN114501269A - 小阵列微机电麦克风装置及其噪声抑制方法 - Google Patents

小阵列微机电麦克风装置及其噪声抑制方法 Download PDF

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Abstract

小阵列微机电麦克风装置及其噪声抑制方法。该装置包括：遮罩；电路板，耦接遮罩且包括第一音孔与第二音孔；第一麦克风模块，包括：第一麦克风及第一集成电路，其中第一麦克风经第一音孔对音源提取第一音频信号；及第二麦克风模块，包括：第二麦克风及第二集成电路，其中第二麦克风经第二音孔对音源提取第二音频信号。第一麦克风及第二麦克风具有相同的灵敏度、相位及全向性。第一集成电路对第一及第二音频信号进行第一逻辑运算以产生第一加总音频信号。第一集成电路以第一时钟信号对第二音频信号进行采样延迟，将第一音频信号减去延迟后的第二音频信号得到具有第一指向性的第一差分音频信号。第二集成电路旁通输出具有全向性的第二音频信号。

Description

小阵列微机电麦克风装置及其噪声抑制方法
技术领域
本发明涉及麦克风装置，特别涉及一种小阵列微机电麦克风装置及其噪声抑制方法
背景技术
目前的麦克风装置大多为电容式麦克风，其中微机电(micro-electromechanical system(MEMS))麦克风已受到广泛的使用。微机电麦克风采用微机电系统，而微机电系统可在一装置内整合电子、电机或机械的多种功能。因此微机电麦克风可具备尺寸小、省电、容易安装以及抗干扰等优势。
一般而言，采用多个麦克风(例如MEMS麦克风)的麦克风装置可具有较佳的声音灵敏度(sensitivity)及信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)及方向性。然而，若麦克风阵列均使用全向性麦克风，则麦克风阵列所输出的音频信号往往无法具有良好的指向性，故容易提供具有较多噪声的音频信号给后端的语音辨识装置，进而使得语音的识别率大幅降低。
因此，需要一种小阵列微机电麦克风装置及其噪声抑制方法以解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种小阵列微机电麦克风装置，包括：一遮罩；一电路板，耦接该遮罩且包括一第一音孔与一第二音孔；一第一麦克风模块，包括：一第一麦克风及一第一集成电路，其中该第一麦克风经由该第一音孔对一音源提取一第一音频信号；以及一第二麦克风模块，包括：一第二麦克风及一第二集成电路，其中该第二麦克风经由该第二音孔对该音源提取一第二音频信号，其中该第一麦克风及该第二麦克风具有相同的灵敏度、相位及全向性，且该第二音频信号输入至该第一集成电路；其中，该第一集成电路用以对该第一音频信号及该第二音频信号进行第一逻辑运算以产生第一加总音频信号，其中，该第一集成电路以第一时钟信号对该第二音频信号进行采样延迟，且将该第一音频信号减去延迟后的该第二音频信号以得到第一差分音频信号，且该第一差分音频信号具有第一指向性，其中，该第二集成电路旁通输出该第二音频信号，且该第二音频信号具有全向性。
在一些实施例中，该第一集成电路及该第二集成电路为应用导向集成电路，且该第一时钟信号的频率为2.048MHz。此外，该第一麦克风及该第二麦克风之间的第一距离为5mm。
在一些实施例中，该第一集成电路更对该第一加总音频信号、该第一差分音频信号及该第二音频信号分别套用低通滤波器与第一均衡器、带通滤波器与第二均衡器、及高通滤波器与第三均衡器以产生第一低频音频信号、第一中频音频信号及第一高频音频信号，且该第一低频音频信号、该第一中频音频信号及该第一高频音频信号的灵敏度实质相同。该低通滤波器的通过频带为200Hz以下，该带通滤波器的通过频带为200～7400Hz，且该高通滤波器的通过频带为7400Hz以上。
在一些实施例中，该第一音频信号更输入至该第二集成电路，且该第二集成电路以该第一时钟信号对该第一音频信号进行采样延迟，且将该第二音频信号减去延迟后的该第一音频信号以得到第二差分音频信号，且该第二差分音频信号具有不同于该第一指向性的第二指向性。该第二集成电路更对该第二加总音频信号、该第二差分音频信号及该第一音频信号分别套用该低通滤波器与该第一均衡器、该带通滤波器与该第二均衡器、及该高通滤波器与该第三均衡器以产生第二低频音频信号、第二中频音频信号及第二高频音频信号。该第二集成电路还将该第二低频音频信号、该第二中频音频信号及该第二高频音频信号加总以产生第二波束，且该第二波束具有该第二指向性。
本发明更提供一种噪声抑制方法，用于一小阵列微机电麦克风装置，该小阵列微机电麦克风装置包括一遮罩；一电路板；一第一麦克风模块，包括：一第一麦克风及一第一集成电路；以及一第二麦克风模块，包括：一第二麦克风及一第二集成电路，其中该第一麦克风及该第二麦克风具有相同的灵敏度、相位及全向性，该方法包括：利用该第一麦克风及该第二麦克风分别对一音源提取一第一音频信号及一第二音频信号；利用该第一集成电路对该第一音频信号及该第二音频信号进行第一逻辑运算以产生第一加总音频信号；利用该第一集成电路以第一时钟信号对该第二音频信号进行采样延迟，并将该第一音频信号减去延迟后的该第二音频信号以得到第一差分音频信号，其中该第一差分音频信号具有第一指向性；以及利用该第二集成电路旁通输出该第二音频信号，其中该第二音频信号具有全向性。
本发明更提供一种小阵列微机电麦克风装置，包括：一遮罩；一电路板，耦接该遮罩且包括一第一音孔、一第二音孔及一第三音孔；一第一麦克风模块，包括：一第一麦克风及一第一集成电路，其中该第一麦克风经由该第一音孔对一音源提取一第一音频信号；以及一第二麦克风模块，包括：一第二麦克风及一第二集成电路，其中该第二麦克风经由该第二音孔对该音源提取一第二音频信号；一第三麦克风模块，包括：一第三麦克风及一第三集成电路，其中该第三麦克风经由该第三音孔对该音源提取一第三音频信号，其中该第一麦克风、该第二麦克风及该第三麦克风具有相同的灵敏度、相位及全向性其中，该第一音频信号输入至该第二集成电路，该第二音频信号输入至该第三集成电路，且该第三音频信号输入至该第一集成电路；其中，该第一集成电路用以对该第一音频信号及该第三音频信号进行第一逻辑运算以产生第一加总音频信号，并以第一时钟信号对该第三音频信号进行采样延迟，且将该第一音频信号减去延迟后的该第三音频信号以得到第一差分音频信号，且该第一差分音频信号具有第一指向性，其中，该第一集成电路旁通输出该第一音频信号，且该第一音频信号具有全向性。该第二集成电路用以对该第二音频信号及该第一音频信号进行第二逻辑运算以产生第二加总音频信号，并以该第一时钟信号对该第一音频信号进行采样延迟，且将该第二音频信号减去延迟后的该第一音频信号以得到第二差分音频信号，且该第二差分音频信号具有第二指向性，其中，该第二集成电路旁通输出该第二音频信号，且该第二音频信号具有全向性。该第三集成电路用以对该第三音频信号及该第二音频信号进行第三逻辑运算以产生第三加总音频信号，并以该第一时钟信号对该第二音频信号进行采样延迟，且将该第三音频信号减去延迟后的该第二音频信号以得到第三差分音频信号，且该第三差分音频信号具有第三指向性，其中，该第三集成电路旁通输出该第三音频信号，且该第三音频信号具有全向性。
附图说明
图1A为依据本发明实施例的小阵列微机电麦克风装置的示意图。
图1B为依据本发明图1A实施例的小阵列微机电麦克风装置的立体图。
图1C为依据本发明的另一实施例的小阵列微机电麦克风装置的立体图。
图1D为依据本发明的又一实施例的小阵列微机电麦克风装置的立体图。
图1E为依据本发明的又一实施例的小阵列微机电麦克风装置的立体图。
图2为依据本发明一实施例的小阵列微机电麦克风装置的方块图。
图3A为依据本发明一实施例中的麦克风模块的方块图。
图3B为依据本发明一实施例中的麦克风模块搭配处理器进行音频响应平坦化的示意图。
图4A为依据本发明一实施例中的差分音频信号的频率响应曲线的示意图。
图4B为依据本发明一实施例中的输出音频信号的频率响应曲线的示意图。
图5A为使用两个全向性麦克风的麦克风阵列的示意图。
图5B为传统麦克风阵列的极性图。
图6为依据本发明另一实施例中的麦克风模块的方块图。
图7为依据本发明图6实施例中的麦克风模块的方块图。
图8为依据本发明图6实施例中的麦克风模块的连接方式的示意图。
图9为依据本发明图8实施例中的麦克风模块的连接方式的示意图。
图10为依据本发明图8实施例中的麦克风模块的连接方式的示意图。
图11为依据本发明一实施例中的噪声抑制方法的流程图。
具体实施方式
以下叙述列举本发明的多种实施方式。以下叙述介绍本发明的基本概念，且并非意图限制本发明内容。实际发明范围应依照权利要求书界定。
图1A为依据本发明实施例的小阵列微机电麦克风装置的示意图。图1B为依据本发明图1A实施例的小阵列微机电麦克风装置的立体图。请同时参考图1A及图1B。小阵列微机电麦克风装置100包括遮罩101、电路板102、处理器103、麦克风模块110与麦克风模块120。处理器103耦接遮罩101与电路板102以形成腔室CH1与腔室CH2。腔室CH1中的麦克风模块110包括振膜111、麦克风112及集成电路113。腔室CH2中的麦克风模块120包括振膜121、麦克风122及集成电路123。电路板102耦接遮罩101且包括音孔104与音孔105，且音孔104与音孔105相隔距离d0(例如为5mm，非限定)。小阵列微机电麦克风装置100中的音孔104及105(例如可视为前/后音孔)的位置在同一平面上且是分别通过振膜111及121接收音频信号。在一些实施例中，长度d0为音孔104的中心点与音孔105的中心点之间的距离，且也可视为麦克风112及麦克风122之间的距离。
在一些实施例中，处理器103可为一数字信号处理器(digital signalprocessor)或一微控制器(microcontroller)。麦克风112及122为微机电(micro-electromechanical system(MEMS))装置，且可形成一麦克风阵列。在一些实施例中，集成电路113及123例如可为一应用导向集成电路，其包括数字电路(例如可执行数字信号处理的电路)、模拟电路(例如运算放大器)、模拟/数字转换电路及运算电路，其细节将详述于后。
在一些实施例中，集成电路113及123可分别连接并控制麦克风112及122。在一些实施例中，集成电路113及123可通过导体(或导线)连接至电路板102，再通过其他导体耦接至麦克风112及122，藉此提供电压至麦克风112及122并且接收、处理麦克风112及122基于声音所产生的信号。在一些实施例中，集成电路113及123在电路板102上例如可使用脉冲密度调制(pulse-density modulation，PDM)协议以进行数据传输。
在一些实施例中，遮罩101的材质为金属，并且在遮罩101上形成凹槽VP。另一方面，当遮罩101的材质为金属时，遮罩101的厚度可以减少并且仍然具有足够的刚性，藉此可进一步减少小阵列微机电麦克风装置100的体积。
在一些实施例中，腔室CH1与腔室CH2的体积相同，且腔室CH1中的麦克风模块110的配置与腔室CH2中的麦克风模块120的配置相同。在此情况下，麦克风模块110所对应的环境与麦克风模块120所对应的环境基本上相同。因此，集成电路113及123在处理麦克风112及122所产生的信号以及执行小阵列微机电麦克风装置100的指向性功能时，可降低受到麦克风112与麦克风122之间的环境误差所造成的影响，进而提升小阵列微机电麦克风装置100的指向性的准确度。
在一些实施例中，集成电路113及123可将相同的电压提供至麦克风112及122，使麦克风112的振膜111与麦克风112的背板(未图示)之间的距离，相同于麦克风122的振膜121与麦克风122的背板(未图示)之间的距离，藉此让麦克风112、122具备有相同的声音敏灵敏度，进而使小阵列微机电麦克风装置100的具有较佳的信噪比。
如图1A所示，音孔104的位置对应振膜111的位置，使振膜111可通过音孔104接收声音信号；而音孔105的位置对应振膜121的位置，使振膜121可通过音孔105接收声音信号。在一些实施例中，小阵列微机电麦克风装置100外部的一第一声音信号可分别通过音孔104、105传递至麦克风110与麦克风120。由于音孔104、105之间相隔长度d0(例如为5mm)，因此当第一声音信号具有一特定的传递方向时，第一声音信号的第一部分声音信号传递至振膜111的时间，可与第一声音信号的第二部分声音信号传递至振膜121的时间相同，藉此使小阵列微机电麦克风装置100具有指向性(directivity)。在一些实施例中，长度d0为音孔104的中心点与音孔105的中心点之间的距离，且也可视为麦克风110及麦克风120之间的距离。
在一些实施例中，由音孔104传递至振膜111的声音信号(例如上述第一声音信号的第一部分声音信号)不会传递至振膜121，而由音孔105传递至振膜121的声音信号(例如上述第一声音信号的第二部分声音信号)不会传递至振膜111。在此情况下，传递至腔室CH2中的麦克风120的声音信号，不会干扰腔室CH1中的麦克风110；同样地，传递至腔室CH1中的麦克风110的声音信号，不会干扰腔室CH2中的麦克风120。因此，麦克风110、120所分别接收的噪声皆可被降低，进而提升麦克风装置100的指向性效能。
图1C为依据本发明的另一实施例的小阵列微机电麦克风装置的立体图。
如图1C所示，在另一实施例中，麦克风模块110及120设置在电路板102上，但分别具有独立的外壳101A及101B。此外，处理器103设置在麦克风模块120中，且与集成电路123迭合。
图1D为依据本发明的又一实施例的小阵列微机电麦克风装置的立体图。
如图1D所示，在又一实施例中，麦克风模块110及120为独立的模块，且分别具有独立的电路板102A及102B、以及独立的外壳101A及101B。此外，处理器103设置在麦克风模块110中，且与集成电路113迭合。当欲实现小麦克风阵列时，麦克风模块110及120中的麦克风112及122之间的距离d例如为5mm。因为麦克风模块110及120可单独设置，若在电子装置中需要麦克风距离较长的麦克风阵列，麦克风112及122之间的距离d例如可为20mm。在此实施例中，若电子装置需要3个或以上的麦克风模块所形成的麦克风阵列，则可以使用一个麦克风模块110(包含处理器103)以及两个以上的麦克风模块120设置在电子装置的电路板上。
图1E为依据本发明的又一实施例的小阵列微机电麦克风装置的立体图。
如图1E所示，在又一实施例中，麦克风模块110及120为独立的模块，且分别具有独立的电路板102A及102B、以及独立的外壳101A及101B。与图1D的实施例不同之处在于处理器103单独设置在麦克风模块110及120外部。类似地，欲实现小麦克风阵列时，麦克风模块110及120中的麦克风112及122之间的距离d例如为5mm。因为麦克风模块110及120可单独设置，若在电子装置中需要麦克风距离较长的麦克风阵列，麦克风112及122之间的距离d例如可为20mm。在此实施例中，麦克风模块110及120为实质相同的麦克风模块。若电子装置需要3个或以上的麦克风模块所形成的麦克风阵列，则可以使用三个麦克风模块110再搭配处理器103设置在电子装置的电路板上，且任两个麦克风模块之间的距离可视实际需求而设置。
图2为依据本发明一实施例的小阵列微机电麦克风装置的方块图。
请同时参考图1A及图2。麦克风模块110及120均包括CS、DATA、CLK、PDM_in、L/R等引脚。处理器103可传送控制信号201至麦克风模块110及120的CS引脚(chip select)以控制麦克风模块110及120开启或关闭。处理器103并提供时钟信号202至麦克风模块110及120的CLK引脚(clock)以提供麦克风模块110及120中的集成电路113及123进行操作所需的时钟信号(例如为2.048MHz的时钟信号)。麦克风模块110及120的L/R引脚定义在麦克风模块110及120中的麦克风112及122是用于前置麦克风或后置麦克风。在此实施例中，麦克风模块110的L/R引脚接地，故表示麦克风112为前置麦克风。麦克风模块120的L/R引脚连接至电压VDD，故表示麦克风122为后置麦克风。
在麦克风模块110及120的PDM_in引脚为输入信号引脚，且输入信号可与麦克风112及122所提取的音频信号进行逻辑运算及时间延迟处理，并从麦克风模块110及120的DATA引脚分别输出音频信号203及204至处理器103的DATA_IN引脚。在此实施例中，因为设计上的需求，麦克风模块120的PDM_in引脚并未输入任何音频信号，且麦克风模块120所输出的音频信号204例如为麦克风122所提取的音频信号(MicB)且旁通至DATA引脚以输出音频信号204。音频信号204输入至麦克风模块110的PDM_in引脚，且麦克风模块110所输出的音频信号203可包括加总信号(SUM)及信道信号(DMA)，其中加总信号SUM例如为将麦克风112所提取的音频信号MicF与PDM_in引脚所输入的音频信号204(即音频信号MicB)相加而得。信道信号DMA则是将音频信号MicF减去时间延迟τ与音频信号MicB的乘积所得的结果，意即DMA＝MicF-MicB×τ。
图3A为依据本发明一实施例中的麦克风模块的方块图。
请同时参考图2及图3A。麦克风模块110及120以图2的方式连接。为了便于说明，图3的实施例以麦克风模块110为例，且麦克风模块120的配置类似于麦克风模块110，其差别在于麦克风模块120的PDM_in引脚并无输入信号。
麦克风模块110的集成电路113包括前置放大器(preamplifier)311、模拟至数字转换器(analog-to-digital converter、ADC)312、加法器315、输出控制电路316、多工器317、延迟电路318、控制电路319、减法器320、均衡器321。
举例来说，麦克风112所提取的音频信号301(例如为模拟信号)需经过前置放大器311放大以产生音频信号341(例如为模拟信号)进行后续处理，其中音频信号341例如可称为MicF音频信号。集成电路113的PDM_in引脚325接收集成电路123所输出的MicB音频信号，例如为使用PDM协议编码的音频信号345。
加法器315将音频信号342(MicF音频信号)及音频信号345(MicB音频信号)相加以得到音频信号343(加总音频信号SUM)。此外，MicB音频信号经过多工器317及延迟电路318以产生延迟音频信号344，且减法器320将音频信号342减去音频信号345以得到差分音频信号346。音频信号346再经过均衡器321进行处理以得到音频信号347，其中音频信号347例如可称为差分音频信号DMA。输出控制电路316可接收音频信号343及347，并选择要输出音频信号343和/或音频信号347，以产生相应的输出音频信号331(加总音频信号SUM)及332(差分音频信号DMA)。需注意的是，麦克风模块120的PDM_in引脚并无输入信号，故麦克风模块120可经由类似于图3A的操作方式以输出MicB音频信号。
图3B为依据本发明一实施例中的麦克风模块搭配处理器进行音频响应平坦化的示意图。
请同时参考图2、图3A及图3B。硬件部分30包含麦克风模块110及120，软件部分40中的各元件则是由处理器103所执行。麦克风模块110可输出音频信号331(加总音频信号SUM)及332(差分音频信号DMA)至处理器103，且麦克风模块110可输出MicB音频信号333至处理器103。处理器103套用不同的滤波器至不同的输入音频信号SUM、DMA及MicB。
举例来说，处理器103对加总音频信号SUM套用低通滤波器370，并且对差分音频信号DMA套用带通滤波器372，以及对MicB音频信号套用高通滤波器374，其中低通滤波器370的通过频率约为200Hz以下(或20～200Hz)，带通滤波器372的通过频率约为200～7400Hz，高通滤波器374的通过频率约为7400Hz以上。
如图4A所示，曲线402、404、406及408分别表示麦克风距离d0为5mm、10mm、15mm及20mm时的差分音频信号DMA332的频率响应曲线。由此可知，差分音频信号DMA332的频率响应曲线并不平坦，且差分音频信号DMA332的频率愈低，其增益值愈低。此外，当麦克风距离d0愈大时，相应的频率响应曲线的截止频率愈低，如图4A所示，其中曲线408的截止频率wc_20小于其他曲线406、404及402的截止频率wc_15、wc_10及wc_5(未绘示)等等。差分音频信号DMA332经过带通滤波器372后再经过均衡器382进行处理，可得到中频音频信号392，且中频音频信号392的频率响应曲线在中频(200～7400Hz)的增益值可以平坦化(实质地均衡)。类似地，加总音频信号SUM331通过低通滤波器370后，会再经过均衡器380处理以得到低频音频信号391。MicB音频信号333通过高通滤波器374后，会再经过均衡器384处理以得到高频音频信号393。
最后，加法器386将低频音频信号391、中频音频信号392及高频音频信号393相加后可得到输出音频信号390，其中，音频信号390的频率响应曲线如图4B所示，在低频(小于200Hz)、中频(200～7400Hz)及高频(7400Hz以上)的增益值可以平坦化(实质地均衡)。
图5A为使用两个全向性麦克风的麦克风阵列的示意图。图5B为传统麦克风阵列的极性图。
用于噪声抑制(noise suppression)的传统麦克风阵列例如可用预先设置的两个麦克风实现，例如可使用指向性(unidirectional)麦克风(简称为U-Mic)加上全向性(omnidirectional)麦克风(简称为O-Mic)的组合(例如为第一组合)、或是使用两个全向性麦克风(例如为第二组合)。
以第一组合为例，传统的指向驻极体麦克风(directional electretmicrophone)主要是利用声音分别经由从麦克风的前音孔与后音孔的路径差异而产生两路径的声压差异性，并利用此声压差异性而产生振膜的移位以产生麦克风的电容差异，因此可形成信号输出以达到麦克风阵列的固定指向性。在电子装置上若要使用指向性麦克风及全向性麦克风所组成的麦克风阵列，则需要设置具备前音孔与后音孔的指向性麦克风，因此在机构上需要设计前/后导音管，这会造成电子装置的设计难度提高。若电子装置不允许在后面外观进行开孔设计，则麦克风阵列的指向性则丧失。若要维持麦克风阵列的指向性，则导入麦克风的后音孔的导音管的设计则必须从电子装置的前方导入。然而，前/后导音管的长度不同会造成原先的单纯麦克风阵列的指向性与麦克风阵列放入电子装置的机构后的指向性不同，进而造成使用上的不便及噪声抑制的效能降低。
以第二组合为例，请参考图5A，在第二组合的麦克风阵列，两个麦克风所检测到的音频信号是分别由两个麦克风音膜震动后所产生，且两个麦克风音膜的特性是否一致会影响到两者的音频信号的一致性。然而，传统驻极体麦克风的麦克风音膜的绷膜及电晕工艺很难达到一致性。若麦克风阵列500的两个麦克风511及512均使用微机电麦克风，则可提高两个麦克风511及512的音膜的一致性。
若麦克风阵列500是采用两个微机电(MEMS)全向性麦克风511及512所实现，当音源520发出声音时，麦克风511(前麦克风)及麦克风512(后麦克风)分别检测到的音频信号XF及XB经过加总及延迟计算后所得到的差分信号Pd可具有指向性而达到抑制噪声的功能，其中差分信号Pd＝XF-XB×τ，其中延迟τ＝d0/c，d0为麦克风511及512之间的距离，且c为音速。此外，需注意的是，若由两个全向性麦克风所组成的小麦克风阵列(距离d0约为5mm)要产生波束，则还需要特别要求采样延迟(sample delay)τ的精确度。
图5B所示的曲线508、506、504及502是在麦克风511及512的距离为5mm时分别在软件采样率为16KHz、32KHz、48KHz及2.048MHz所得到的极性图样。若是由软件(即处理器)产生采样延迟，则采样延迟的精确度是由软件采样率(sample rate)决定。然而，若软件的采样率较低，则会使得原本所需要的波束指向由单指向特性(例如为心脏形(cardioid)的极化图样，如图5B的曲线502所示)而变成双指向特性(例如为八字形(dipole)的极化图样，如图5B的曲线506及508所示)。虽然提高软件的采样率可以提高采样延迟的精确度，但软件的运算时间会变长，且也会增加处理器的耗电。
若是增加麦克风511及512之间的距离d0，则可以提高采样延迟的数值，且可使用较低的软件采样率而达到所需的采样延迟的精确度，但是增加后的麦克风距离d0则无法达到小麦克风阵列的需求，且形成的波束的频率响应的截止频率wc也会降低，故麦克风阵列的有效带宽变窄，进而影响到小阵列微机电麦克风装置有效消除噪声的能力，且输出的音频信号会使后端的语音辨识装置的语音辨识率大幅降低。
图6为依据本发明另一实施例中的麦克风模块的方块图。
请同时参考图3A-3B及图6，其差别在于图3B中的软件部分40在图6均是由硬件电路实现，意即表示为硬件部分60，其中硬件部分60可包含于集成电路113及123之中、或是由小阵列微机电麦克风装置100中的其他数字电路实现。产生加总音频信号SUM、差分音频信号DMA及MicB音频信号的麦克风模块110及120的硬件电路可参考图3A，故其细节于此不再赘述。举例来说，当旁通(bypass)模式未开启时，开关601及602处于开路状态，且麦克风模块110产生的加总音频信号SUM可输入至低通滤波器610以产生音频信号632，差分音频信号DMA则可经过高通滤波器612及低通滤波器614(例如两者可视为带通滤波器，且其顺序可互相交换)以产生音频信号634，MicB音频信号则可经过高通滤波器616以产生音频信号636。音频信号632、634及636再经过加法电路618加总以产生音频信号638。音频信号638即类似于图3B中的音频信号390。音频信号638的频率响应曲线亦如图4B所示，在低频(小于200Hz)、中频(200～7400Hz)及高频(7400Hz以上)的增益值可以平坦化(实质地均衡)。在一些实施例中，音频信号632、634及636可经过类似于图3B中的均衡器380～384进行处理后再输入至加法电路618。
此外，当旁通模式开启时，开关601及602均会关闭，且加总音频信号SUM及MicB音频信号则会分别传送至多工器620，且多工器620可依据控制信号以选择要输出音频信号641和/或642，其中音频信号641表示具有指向性的波束，或是可称为U-Mic音频信号，音频信号642则表示全向性的音频信号，或是可称为O-Mic音频信号。
图7为依据本发明图6实施例中的麦克风模块的方块图。
在图6的实施例中，每个麦克风模块均可输出加总音频信号SUM或旁通(BYPASS)音频信号、以及差分音频信号DMA，且每个麦克风模块中的集成电路均包括加法器、减法器、DMA(差分延迟)、均衡器(EQ)等功能，故经由图7所示的麦克风模块110及120的连接方式将麦克风模块110所输出的MicF音频信号做为麦克风模块120的PDM_in引脚的输入信号，并且将麦克风模块120所输出的MicB音频信号做为麦克风模块110的PDM_in引脚的输入信号，因此麦克风模块110及120可以提供两个不同极性图样及指向性的指向性音频信号(波束Beam1及Beam2)及全向性音频信号(例如MicF及MicB音频信号)以供麦克风模块的后续平台使用，意即麦克风模块可提供第一组合的小麦克风阵列(U-Mic+O-Mic)至后续平台以达到更好的噪声抑制效果。
图8为依据本发明图6实施例中的麦克风模块的连接方式的示意图。
在图8中，麦克风模块130与麦克风模块110及120相同。在图7的实施例中，可得知经由适当的连接方式，可使麦克风模块110及120可输出具有不同极性图样及指向的指向性音频信号(波束Beam1及Beam2)及全向性音频信号(例如MicF及MicB音频信号)。在图8的实施例中，麦克风模块110、120及130同样可经由适当的连接方式以使麦克风模块110、120及130可输出具有不同极性图样及指向性的指向性音频信号(波束Beam1、Beam2及Beam3)及全向性音频信号(例如MicF、MicB及MicA音频信号)。
举例来说，麦克风模块110所输出的MicF音频信号输入至麦克风模块120的PDM_in引脚，麦克风模块120所输出的MicB音频信号输入至麦克风模块130的PDM_in引脚，且麦克风模块130所输出的MicA音频信号输入至麦克风模块110的PDM_in引脚，意即麦克风模块110中的集成电路113是对MicF音频信号及MicA音频信号进行处理，麦克风模块120中的集成电路123是对MicB音频信号及MicF音频信号进行处理，且麦克风模块130中的集成电路是对MicA音频信号及MicB音频信号进行处理。因此，在各麦克风模块中的集成电路则会对两个输入音频信号进行运算以得到具有指向性的差分音频信号(波束)及全向性的音频信号。
图9为依据本发明图8实施例中的麦克风模块的连接方式的示意图。
在图9中的麦克风模块110、120及130的设置位置呈现等腰直角三角形。举例来说，麦克风模块110的麦克风112与麦克风模块120的麦克风122之间的距离为d(例如为5mm)，且麦克风模块110的麦克风112与麦克风模块130的麦克风之间的距离亦为d，且麦克风模块120的麦克风122与麦克风模块130的麦克风之间的距离为
Figure BDA0002818023700000131
在此实施例中，具有心脏形的极性图样表示各麦克风模块所产生的差分音频信号的极性图样，且其灵敏度标线单位类似于图5B的极性图样。此外，类似圆形的极性图样(即具有全向性)表示各麦克风模块所产生的旁通音频信号的极性图样。
举例来说，麦克风模块110所产生的差分音频信号的指向性朝左，麦克风模块120所产生的差分音频信号的指向性朝下，麦克风模块130所产生的差分音频信号的指向性朝右上，意即各差分音频信号的指向性垂直于两个相邻麦克风模块之间的连线并且朝向小阵列微机电麦克风装置100外部。
图10为依据本发明图8实施例中的麦克风模块的连接方式的示意图。
在图10中的麦克风模块110、120及130的设置位置呈现正三角形，意即两个相邻的麦克风模块的麦克风的距离均为d(例如为5mm)。在此实施例中，具有心脏形的极性图样表示各麦克风模块所产生的差分音频信号的极性图样，且其灵敏度标线单位类似于图5B的极性图样。此外，类似圆形的极性图样(即具有全向性)表示各麦克风模块所产生的旁通音频信号的极性图样。举例来说，麦克风模块110所产生的差分音频信号的指向性朝左上，麦克风模块120所产生的差分音频信号的指向性朝下，麦克风模块130所产生的差分音频信号的指向性朝右上，意即各差分音频信号的指向性垂直于两个相邻麦克风模块之间的连线并且朝向小阵列微机电麦克风装置100外部。
图11为依据本发明一实施例中的噪声抑制方法的流程图。
在步骤S1110，利用第一麦克风及第二麦克风分别对一音源提取第一音频信号及第二音频信号。
在步骤S1120，利用第一集成电路对第一音频信号及第二音频信号进行第一逻辑运算以产生第一加总音频信号。其中第一加总音频信号SUM例如可视为全向性音频信号，且具有较佳的灵敏度、底噪及信噪比。
在步骤S1130，利用第一集成电路以第一时钟信号对第二音频信号进行采样延迟，且将第一音频信号减去延迟后的第二音频信号以得到第一差分音频信号，且第一差分音频信号具有第一指向性。差分音频信号DMA则可提供波束功能，例如可视为第一组合的麦克风阵列中的指向性麦克风所提供的音频信号。此外，差分音频信号DMA的采样延迟是使用硬件电路以时钟2.048MHz(非限定)进行采样，除了麦克风距离(例如5mm)可符合小麦克风阵列的需求外，还可以达到采样延迟的精确度及快速/省电的效果。
在步骤S1140，利用第二集成电路旁通输出第二音频信号，且第二音频信号具有全向性。
综上所述，本发明提供一种小阵列微机电麦克风装置及噪声抑制方法，其中小阵列微机电麦克风装置可提供加总音频信号SUM、差分音频信号DMA及旁通音频信号BYPASS(例如MicB音频信号)至后端的语音辨识装置。加总音频信号SUM可视为第一组合的麦克风阵列中的全向性麦克风所提供的音频信号，且相较于声音信号XF及XB，加总音频信号SUM的灵敏度约增加6dB(例如信号相关性为1)、底噪约增加3dB(例如信号相关性为0)、且信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)约增加3dB。差分音频信号DMA则可提供波束功能，例如可视为第一组合的麦克风阵列中的指向性麦克风所提供的音频信号。此外，差分音频信号DMA的采样延迟是使用硬件电路以时钟2.048MHz(非限定)进行采样，除了麦克风距离(例如5mm)可符合小麦克风阵列的需求外，还可以达到采样延迟的精确度及快速/省电的效果。BYPASS音频信号也可视为第一组合的麦克风阵列中的全向性麦克风所提供的音频信号。
本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (18)

1.一种小阵列微机电麦克风装置，包括：
遮罩；
电路板，耦接该遮罩且包括第一音孔与第二音孔；
第一麦克风模块，包括：第一麦克风及第一集成电路，其中该第一麦克风经由该第一音孔对音源提取第一音频信号；以及
第二麦克风模块，包括：第二麦克风及第二集成电路，其中该第二麦克风经由该第二音孔对该音源提取第二音频信号，其中该第一麦克风及该第二麦克风具有相同的灵敏度、相位及全向性，且该第二音频信号输入至该第一集成电路；
其中，该第一集成电路对该第一音频信号及该第二音频信号进行第一逻辑运算以产生第一加总音频信号，
其中，该第一集成电路以第一时钟信号对该第二音频信号进行采样延迟，且将该第一音频信号减去延迟后的该第二音频信号以得到第一差分音频信号，且该第一差分音频信号具有第一指向性，
其中，该第二集成电路旁通输出该第二音频信号，且该第二音频信号具有全向性。
2.如权利要求1所述的小阵列微机电麦克风装置，其中该第一集成电路及该第二集成电路为应用导向集成电路，且该第一时钟信号的频率为2.048MHz。
3.如权利要求2所述的小阵列微机电麦克风装置，其中该第一麦克风及该第二麦克风之间的第一距离为5mm。
4.如权利要求3所述的小阵列微机电麦克风装置，其中该第一集成电路更对该第一加总音频信号、该第一差分音频信号及该第二音频信号分别套用低通滤波器与第一均衡器、带通滤波器与第二均衡器、及高通滤波器与第三均衡器以产生第一低频音频信号、第一中频音频信号及第一高频音频信号，且该第一低频音频信号、该第一中频音频信号及该第一高频音频信号的灵敏度实质相同。
5.如权利要求4所述的小阵列微机电麦克风装置，其中该低通滤波器的通过频带为200Hz以下，该带通滤波器的通过频带为200～7400Hz，且该高通滤波器的通过频带为7400Hz以上。
6.如权利要求4所述的小阵列微机电麦克风装置，其中该第一集成电路还将该第一低频音频信号、该第一中频音频信号及该第一高频音频信号加总以产生第一波束，且该第一波束具有该第一指向性。
7.如权利要求1所述的小阵列微机电麦克风装置，其中该第一音频信号更输入至该第二集成电路，且该第二集成电路以该第一时钟信号对该第一音频信号进行采样延迟，且将该第二音频信号减去延迟后的该第一音频信号以得到第二差分音频信号，且该第二差分音频信号具有不同于该第一指向性的第二指向性，
其中，该第二集成电路更对该第二加总音频信号、该第二差分音频信号及该第一音频信号分别套用该低通滤波器与该第一均衡器、该带通滤波器与该第二均衡器、及该高通滤波器与该第三均衡器以产生第二低频音频信号、第二中频音频信号及第二高频音频信号，
其中该第二集成电路还将该第二低频音频信号、该第二中频音频信号及该第二高频音频信号加总以产生第二波束，且该第二波束具有该第二指向性。
8.一种噪声抑制方法，用于小阵列微机电麦克风装置，该小阵列微机电麦克风装置包括遮罩；电路板；第一麦克风模块，包括：第一麦克风及第一集成电路；以及第二麦克风模块，包括：第二麦克风及第二集成电路，其中该第一麦克风及该第二麦克风具有相同的灵敏度、相位及全向性，该方法包括：
利用该第一麦克风及该第二麦克风分别对音源提取第一音频信号及第二音频信号；
利用该第一集成电路对该第一音频信号及该第二音频信号进行第一逻辑运算以产生第一加总音频信号；
利用该第一集成电路以第一时钟信号对该第二音频信号进行采样延迟，并将该第一音频信号减去延迟后的该第二音频信号以得到第一差分音频信号，其中该第一差分音频信号具有第一指向性；以及
利用该第二集成电路旁通输出该第二音频信号，其中该第二音频信号具有全向性。
9.如权利要求8所述的噪声抑制方法，其中该第一集成电路及该第二集成电路为应用导向集成电路，且该第一时钟信号的频率为2.048MHz。
10.如权利要求9所述的噪声抑制方法，其中该第一麦克风及该第二麦克风之间的第一距离为5mm。
11.如权利要求10所述的噪声抑制方法，还包括：
利用该第一集成电路对该第一加总音频信号、该第一差分音频信号及该第二音频信号分别套用低通滤波器与第一均衡器、带通滤波器与第二均衡器、及高通滤波器与第三均衡器以产生第一低频音频信号、第一中频音频信号及第一高频音频信号，
其中该第一低频音频信号、该第一中频音频信号及该第一高频音频信号的灵敏度实质相同。
12.如权利要求11所述的噪声抑制方法，其中该低通滤波器的通过频带为200Hz以下，该带通滤波器的通过频带为200～7400Hz，且该高通滤波器的通过频带为7400Hz以上。
13.如权利要求11所述的噪声抑制方法，还包括：
利用该第一集成电路还将该第一低频音频信号、该第一中频音频信号及该第一高频音频信号加总以产生第一波束，且该第一波束具有该第一指向性。
14.如权利要求8所述的噪声抑制方法，其中该第一音频信号更输入至该第二集成电路，且该方法还包括：
利用该第二集成电路以该第一时钟信号对该第一音频信号进行采样延迟，且将该第二音频信号减去延迟后的该第一音频信号以得到第二差分音频信号，其中该第二差分音频信号具有不同于该第一指向性的第二指向性；
利用该第二集成电路对该第二加总音频信号、该第二差分音频信号及该第一音频信号分别套用该低通滤波器与该第一均衡器、该带通滤波器与该第二均衡器及该高通滤波器与该第三均衡器以产生第二低频音频信号、第二中频音频信号及第二高频音频信号；以及
利用该第二集成电路将该第二低频音频信号、该第二中频音频信号及该第二高频音频信号加总以产生第二波束，且该第二波束具有该第二指向性。
15.一种小阵列微机电麦克风装置，包括：
遮罩；
电路板，耦接该遮罩且包括第一音孔、第二音孔及第三音孔；
第一麦克风模块，包括：第一麦克风及第一集成电路，其中该第一麦克风经由该第一音孔对音源提取第一音频信号；以及
第二麦克风模块，包括：第二麦克风及第二集成电路，其中该第二麦克风经由该第二音孔对该音源提取第二音频信号，
第三麦克风模块，包括：第三麦克风及第三集成电路，其中该第三麦克风经由该第三音孔对该音源提取第三音频信号，其中该第一麦克风、该第二麦克风及该第三麦克风具有相同的灵敏度、相位及全向性，
其中，该第一音频信号输入至该第二集成电路，该第二音频信号输入至该第三集成电路，且该第三音频信号输入至该第一集成电路；
其中，该第一集成电路用以对该第一音频信号及该第三音频信号进行第一逻辑运算以产生第一加总音频信号，并以第一时钟信号对该第三音频信号进行采样延迟，且将该第一音频信号减去延迟后的该第三音频信号以得到第一差分音频信号，且该第一差分音频信号具有第一指向性，
其中，该第一集成电路旁通输出该第一音频信号，且该第一音频信号具有全向性，
其中，该第二集成电路用以对该第二音频信号及该第一音频信号进行第二逻辑运算以产生第二加总音频信号，并以该第一时钟信号对该第一音频信号进行采样延迟，且将该第二音频信号减去延迟后的该第一音频信号以得到第二差分音频信号，且该第二差分音频信号具有第二指向性，
其中，该第二集成电路旁通输出该第二音频信号，且该第二音频信号具有全向性，
其中，该第三集成电路用以对该第三音频信号及该第二音频信号进行第三逻辑运算以产生第三加总音频信号，并以该第一时钟信号对该第二音频信号进行采样延迟，且将该第三音频信号减去延迟后的该第二音频信号以得到第三差分音频信号，且该第三差分音频信号具有第三指向性，
其中，该第三集成电路旁通输出该第三音频信号，且该第三音频信号具有全向性。
16.如权利要求15所述的小阵列微机电麦克风装置，其中该第一指向性垂直于该第一麦克风及该第三麦克风的连线并且朝向该小阵列微机电麦克风装置外部，该第二指向性垂直于该第一麦克风及该第二麦克风的连线并且朝向该小阵列微机电麦克风装置外部，且该第三指向性垂直于该第二麦克风及该第三麦克风的连线并且朝向该小阵列微机电麦克风装置外部。
17.如权利要求16所述的小阵列微机电麦克风装置，其中该第一麦克风、该第二麦克风及该第三麦克风的设置位置呈现等腰直角三角形，且该第一麦克风及该第二麦克风之间为第一距离，且该第一麦克风及该第三麦克风之间为该第一距离，且该第二麦克风及该第三麦克风之间为该第一距离*√2，其中该第一距离为5mm。
18.如权利要求16所述的小阵列微机电麦克风装置，其中该第一麦克风、该第二麦克风及该第三麦克风的设置位置呈现正三角形，且该第一麦克风、该第二麦克风及该第三麦克风的任两者之间为第一距离，其中该第一距离为5mm。
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