CN116405830A - 音频系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种音频系统，包括：偏置电压模块与麦克风电气连接，用于为麦克风提供偏置电压；声音检测模块的输入端与偏置电压模块的预定位置电气连接，声音检测模块用于接收偏置电压模块的第一电压信号，并根据第一电压信号得到数字电压信号；预定位置为第一电压信号随着麦克风接收到的声音信号的变化而变化的位置；数字信号处理器的输入端与声音检测模块的输出端电气连接，数字信号处理器的输出端电气连接声音录入模块，数字信号处理器用于接收数字电压信号，并基于数字电压信号控制声音录入模块开启或停止；声音录入模块还与麦克风电气连接，声音录入模块用于在开启的状态下接收麦克风输入的声音信号。

Description

音频系统

技术领域

本发明涉及一种声音检测技术领域，尤其涉及一种音频系统。

背景技术

为了满足人们在生活以及工作中的语音通话、视频通话、收听音乐以及观看视频等视听需求，多数终端都具备音频系统，如手机、平板电脑、音乐播放器和便携式对话玩具等。

现有的音频系统在进行智能录音、关键词识别或者语音指令识别等功能时，通常需要通过音频系统中的麦克风接收声音信号，之后通过可编程增益放大器PGA(Programmable Gain Amplifier)、模数转换器ADC(Analog-to-Digital Converter)、滤波器Filter、数字信号处理器DSP(Digital Signal Processing)等持续工作，进行声音信号的检测以及识别等，功耗大，不利于这类设备的长时间工作，缩短设备的使用期限。

因此，需要一种音频系统，以解决上述的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种音频系统，以解决功耗大的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种音频系统，所述系统包括：

偏置电压模块、声音检测模块、麦克风、数字信号处理器以及声音录入模块，其中：

所述偏置电压模块与麦克风电气连接，用于为麦克风提供偏置电压；

所述声音检测模块的输入端与所述偏置电压模块的预定位置电气连接，所述声音检测模块用于接收所述偏置电压模块的第一电压信号，并根据第一电压信号得到数字电压信号；所述预定位置为第一电压信号随着麦克风接收到的声音信号的变化而变化的位置；

所述数字信号处理器的输入端与所述声音检测模块的输出端电气连接，所述数字信号处理器的输出端电气连接所述声音录入模块，所述数字信号处理器用于接收所述数字电压信号，并基于所述数字电压信号控制声音录入模块开启或停止；

所述声音录入模块还与所述麦克风电气连接，所述声音录入模块用于在开启的状态下接收麦克风输入的声音信号。

本发明实施例的技术方案，包括偏置电压模块、声音检测模块、麦克风、数字信号处理器以及声音录入模块。其中，偏置电压模块与麦克风电气连接，用于为麦克风提供偏置电压，声音检测模块的输入端与偏置电压模块的预定位置电气连接，声音检测模块用于接收偏置电压模块的第一电压信号，并根据第一电压信号得到数字电压信号，预定位置为第一电压信号随着麦克风接收到的声音信号的变化而变化的位置。数字信号处理器的输入端与声音检测模块的输出端电气连接，数字信号处理器的输出端电气连接声音录入模块，数字信号处理器用于接收数字电压信号，并基于数字电压信号控制声音录入模块开启或者停止，声音录入模块还与麦克风电气连接，声音录入模块用于在开启的状态下接收麦克风输入的声音信号，本发明实施例的音频系统，可以根据声音检测模块的第二电压来判断麦克风是否输入声音信号，进而来控制声音录入模块的开启或者关闭，减少了音频系统的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为一个实施例中的一种音频系统的结构示意图；

图2为一个实施例中的一种音频系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种音频系统，本发明实施例的音频系统可以适用于检测到麦克风3输入了声音信号进而控制声音录入模块5的开启的情况，本发明实施例的音频系统可以通过软件和硬件的方式来实现，如图1所示，本发明实施例的音频系统包括：偏置电压模块1、声音检测模块2、麦克风3、数字信号处理器4以及声音录入模块5，其中：

所述偏置电压模块1与麦克风3电气连接，用于为麦克风3提供偏置电压；所述声音检测模块2的输入端与所述偏置电压模块1的预定位置电气连接，所述声音检测模块2用于接收所述偏置电压模块1的第一电压信号，并根据第一电压信号得到数字电压信号；所述预定位置为第一电压信号随着麦克风3接收到的声音信号的变化而变化的位置；所述数字信号处理器4的输入端与所述声音检测模块2的输出端电气连接，所述数字信号处理器4的输出端电气连接所述声音录入模块5，所述数字信号处理器4用于接收所述数字电压信号，并基于所述数字电压信号控制声音录入模块5开启或停止；所述声音录入模块5还与所述麦克风3电气连接，所述声音录入模块5用于在开启的状态下接收麦克风3输入的声音信号。

其中，麦克风3可以接收声音信号，进行声音信号和电信号的转换，使得声音信号以电流信号的形式输入到音频系统中。

本发明实施例的技术方案，包括偏置电压模块1、声音检测模块2、麦克风3、数字信号处理器4以及声音录入模块5。其中，偏置电压模块1与麦克风3电气连接，用于为麦克风3提供偏置电压，声音检测模块2的输入端与偏置电压模块1的预定位置电气连接，声音检测模块2用于接收偏置电压模块1的第一电压信号，并根据第一电压信号得到数字电压信号，预定位置为第一电压信号随着麦克风3接收到的声音信号的变化而变化的位置。数字信号处理器4的输入端与声音检测模块2的输出端电气连接，数字信号处理器4的输出端电气连接声音录入模块5，数字信号处理器4用于接收数字电压信号，并基于数字电压信号控制声音录入模块5开启或者停止，声音录入模块5还与麦克风3电气连接，声音录入模块5用于在开启的状态下接收麦克风3输入的声音信号，本发明实施例的音频系统，可以根据声音检测模块2的第二电压来判断麦克风3是否输入声音信号，进而来控制声音录入模块5的开启或者关闭，使得在有声音信号的情况下，才开启声音录入模块5，进而减少了音频系统的功耗。

在另一本发明实施例中，所述预定位置为第一电压信号随着麦克风3接收到的声音信号的变化而变化，且是变化最大的位置处。

在另一本发明实施例中，如图2所示，所述偏置电压模块1包括运算放大器OP、第一PMOS晶体管MP1和第一电阻R1；所述运算放大器OP的正向输入端与第一电阻R1的一端电气连接，所述第一电阻R1的另一端接地；所述运算放大器OP的反向输入端接入参考电压，所述运算放大器OP的反向输入端作为偏置电压模块1的输入端；所述运算放大器OP的输出端电气连接所述第一PMOS晶体管MP1的栅极，所述运算放大器OP的输出端作为所述偏置电压模块1的预定位置；所述第一PMOS晶体管MP1的漏极与麦克风3电气连接，所述第一PMOS晶体管MP1的漏极作为所述偏置电压模块1的输出端；所述第一PMOS晶体管MP1的源极接高电平。

其中，偏置电压模块1对麦克风3提供偏置电压，使得麦克风3可以正常工作。本发明实施例中的参考电压是指低噪声参考电压(图2中的V₁)，每个音频系统会设置相对应的低噪声参考电压。低噪声参考电压来自低温度系数带隙参考电源。

本发明实施例中，对偏置电压模块1包括的各个元件之间的连接关系进行阐述，以明确偏置电压模块1中电压信号的传输过程。

应当理解，图2中的OP为运算放大器OP(Operational Amplifier)，第一PMOS晶体管MP1为输出级PMOS晶体管。偏置电压模块1还包括第四电阻R4和第一电容C1，运算放大器OP的输出端与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端与第一PMOS晶体管MP1的漏极连接。第四电阻R4作为补偿电阻，第一电容C1作为补偿电容。可选地，偏置电压模块1还包括还包括第三电阻R3，第三电阻R3的一端连接第一PMOS晶体管MP1的漏极，第三电阻R3的另一端与运算放大器OP的正向输入端连接。

本发明实施例中的偏置电压模块1的输出电压等于V₄＝(1+R₃/R₁)*V₁，V₁为低噪声参考电压。当偏置电压模块1给麦克风3提供偏置电压时，麦克风3可以进行声电转换，当没有声音信号输入时，流过麦克风3的电流信号是麦克风3的静态电流I₁，此时第一PMOS晶体管MP1的电流信号等于I₁₁＝I₁+V₄/(R₃+R₁)，V₄/(R₃+R₁)是指第三电阻R3和第一电阻R1流过的电流，也是第一PMOS晶体管MP1固定静态电流。

当有声音信号进入到麦克风3的时候，麦克风3会进行声电转换，转换的电流信号是I₂，I₂是麦克风3的感应声音产生的动态电流，动态电流I₂的大小与麦克风3的灵敏度和声音的声压级有关。这时流过麦克风3就是两个电流，一个是静态电流I₁，一个是动态电流I₂。此时流过第一PMOS晶体管MP1的电流信号为：I₁₁＝I₁+V₄/(R₃+R₁)±I₂。

在另一本发明实施例中，如图2所示，所述声音检测模块2包括：第二PMOS晶体管MP2、电流镜像模块8、麦克风静态电流补偿模块9、模数转换模块6和信号采集模块7，其中：所述第二PMOS晶体管MP2的栅极与所述运算放大器OP的输出端连接，所述第二PMOS晶体管MP2的栅极作为所述声音检测模块2的输入端；所述第二PMOS晶体管MP2的源极接高电平；所述第二PMOS晶体管MP2的漏极与所述电流镜像模块8的一端连接，并且与所述麦克风静态电流补偿模块9的一端连接；所述麦克风静态电流补偿模块9的另一端接地；所述电流镜像模块8的另一端通过模数转换模块6连接信号采集模块7的输入端；所述信号采集模块7的输出端与所述数字信号处理器4的一端连接，所述信号采集模块7的输出端作为所述声音检测模块2的输出端。

具体的，第二PMOS晶体管MP2的栅极与运算放大器OP的输出端电气连接，并且作为声音检测模块2的输入端，第二PMOS晶体管MP2的源极接高电平，第二PMOS晶体管MP2的漏极与电流镜像模块8的一端电气连接，并且与麦克风静态电流补偿模块9的一端电气连接，电流镜像模块8的另一端通过模块转换模块电气连接信号采集模块7的输入端，信号采集模块7的输出端与数字信号处理器4的一端电气连接。信号采集模块7的输出端作为声音检测模块2的输出端。本发明实施例中，麦克风静态电流补偿模块9用于对麦克风3的静态电流进行补偿。麦克风静态电流补偿模块9可以是一个集成电路，其中，麦克风静态电流补偿模块9的电流I₃的大小是可以配置的，根据不同厂家的麦克风3进行配置。电流镜像模块8把MP2流过的电流与麦克风静态电流补偿模块9的电流I₃相减，并把得到的电流差值作为电流镜像模块8的输出电流。通过对运算放大器OP输出端的电压信号V₂进行感应，处理V₂得到需要能够反映出声音信号有无的电压信号V₃，电压信号V₃经过模数转换模块6和信号采集模块7的处理，得到数字电压信号。

可选地，将第二PMOS晶体管MP2与第一PMOS晶体管MP1设置为相同的长度，宽度成比例：W_MP1/W_MP2＝M。M为大于零的整数，W表示宽度。本发明实施例中第一PMOS晶体管MP1的宽度远远大于第二PMOS晶体管MP2的宽度。第一PMOS晶体管MP1与第二PMOS晶体管MP2的栅极接同一电压信号V₂，所以第一PMOS晶体管MP1与第二PMOS晶体管MP2电流关系是：I_MP2＝I_MP1/M。

在另一本发明实施例中，所述电流镜像模块8包括第一NMOS晶体管MN1和第二NMOS晶体管MN2；所述第一NMOS晶体管MN1的栅极与所述第二NMOS晶体管MN2的栅极电气连接；所述第一NMOS晶体管MN1的栅极还与第二PMOS晶体管MP2的漏极电气连接；所述第一NMOS晶体管MN1的源极接地，所述第一NMOS晶体管MN1的漏极与所述第一NMOS晶体管MN1的栅极电气连接；所述第二NMOS晶体管MN2的源极接地，所述第二NMOS晶体管MN2的漏极与所述模数转换模块6的一端电气连接。

本发明实施例中，电流镜像模块8包括两个NMOS晶体管，分别为第一NMOS晶体管MN1和第二NMOS晶体管MN2，两个晶体管的连接方式为：第一NMOS晶体管MN1的栅极与第二NMOS晶体管MN2的栅极连接，第一NMOS晶体管MN1的栅极还和第二PMOS晶体管MP2的漏极电气连接，第一NMOS晶体管MN1的漏极与第一NMOS晶体管MN1的栅极电气连接，第二NMOS晶体管MN2的源极和第一NMOS晶体管MN1的源极都接地，第二NMOS晶体管MN2的漏极与模数转换模块6的一端电气连接。

可选的，声音检测模块2还包括第五电阻，第五电阻的一端接高电平，另一端连接第二NMOS晶体管MN2的漏极，用于将电流镜像模块8的电流转换为电压信号，以将该电压信号(图2中的V₃)作为模数转换模块6的输入信号。

可选地，本发明实施例中，两个NMOS晶体管的长度和宽度相同。电流镜像模块8中第一NMOS晶体管MN1的电流I_MN1与第二NMOS晶体管MN2的电流信号I_MN2的关系为：I_MN1＝I_MN2，

可选地，麦克风3、第二电阻R2以及第二电容C2可以印刷在电路板上。

在麦克风3正常工作的情况下，第一PMOS晶体管MP1，第二PMOS晶体管MP2、第一NMOS晶体管MN1以及第二NMOS晶体管MN2的电流情况如下：I_MP2＝I_MP1/M＝[I₁+V₄/(R₃+R₁)±I₂]/M

流过第一NMOS晶体管MN1的电流为：I_MN1＝I_MP2-I₃＝I_MP2-I₁/M

I_MN1＝[V₄/(R₃+R₁)±I₂]/M

由于第二NMOS晶体管MN2与第一NMOS晶体管MN1的尺寸相同，流过第二NMOS晶体管MN2的电流信号为：

I_MN2＝[V₄/(R₃+R₁)±I₂]/M

本发明实施例中，设置第五电阻R5的阻值为R₅＝R₁*M。

则V₃＝Avcc-I_MN2*R₅

对上述公式进行化简，得到V₄＝(1+R₃/R₁)*V₁，R₅＝R₁*M

V₃＝Avcc-V₁±I₂*R₁

本发明实施例中，设置V₁＝Avcc/2，则上式整理为：

电压信号V₃等于在直流偏置点0.5*Avcc上一个交流信号的波动，该交流信号的波动的大小和进入到麦克风3的声音强度有关，同时也与V₄的值无关，只与第一电阻R1有关，所以通过电压信号V₃的波动就可以判段是否有声音信号进入到麦克风3。

电压信号V₃经模数转换模块传输至信号采集模块7，经时钟采样后得到数字信号V₅送给数字信号处理器4。Clock的频率是32k，数字信号处理器4收到信号采集模块7送过来的数字信号V₅，只要有沿发生变化，例如高电平转转低电平或者低电平转高电平，就启动声音录入模块5进入到正常工作状态，数字信号处理器4接收声音录入模块5传输的音频信号。

数字信号处理器4根据音频信号进行判断，如果音频信号是语音指令或者关键词，那就执行相关的操作，如果不是，则关闭声音录入模块5，并继续等待声音接收模块传输的数字电压信号V₅。

在数字信号处理器4进行录音的情况下，接收到信号采集模块7发送的数字信号V₅，并检测到有沿发生变化，启动声音录入模块5进入到正常工作状态，数字信号处理器4接收声音录入模块5传输的音频信号并进行存储，在录制完成后，继续等待寄存器传输的数字电压信号V₅。

可选的，可以将声音录入模块5在等待状态时工作在低功耗状态，以便可以快速启动声音录入模块5。

在另一本发明实施例中，数字信号处理器4是指DSP。

在另一本发明实施例中，所述模数转换模块6包括斯密特迟滞反相器。

在另一本发明实施例中，所述信号采集模块7包括寄存器。可选地，寄存器为锁存寄存器DFF。

在另一本发明实施例中，所述系统还包括第二电阻R2；所述第一PMOS晶体管MP1的漏极通过第二电阻R2与麦克风3连接。

本发明实施例中，偏置电压模块1提供给麦克风3偏置电压。麦克风3进行声电转换，将声音信号转换为电流信号，电流信号的幅值与进入到麦克风3中的声音信号的声强和麦克风3的灵敏度相关。电流信号经过第二电阻进行电流电压的转换，得到待处理电压，以供声音录入模块5接收。

在另一本发明实施例中，所述系统还包括第二电容C2；所述声音录入模块5通过第二电容C2与麦克风3电气连接。

本发明实施例中，待处理电压经过第二电容C2滤除直流电压后，得到电压信号V₆送到声音录入模块5中。

在另一本发明实施例中，所述声音录入模块5包括可编程增益放大器、模数转换子模块以及滤波器。可选的，声音录入模块5与数字信号处理器4可以集成在同一个芯片中。

本发明实施例中，声音录入模块5中的可编程增益放大器PGA(Programmable GainAmplifier)首先接收电压信号V₆(也即音频信号)，并对电压信号V₆进行放大，将放大后得到的电压信号输入到模数转换子模块中，得到数字电压子信号，将数字电压子信号输入到滤波器Filter中，进行滤波处理，进而将处理好的数字电压子信号送入到数字信号处理器4中，进行分析处理，完成声音信号的录入。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种音频系统，其特征在于，包括：

偏置电压模块、声音检测模块、麦克风、数字信号处理器以及声音录入模块，其中：

所述偏置电压模块与麦克风电气连接，用于为麦克风提供偏置电压；

所述声音检测模块的输入端与所述偏置电压模块的预定位置电气连接，所述声音检测模块用于接收所述偏置电压模块的第一电压信号，并根据第一电压信号得到数字电压信号；所述预定位置为第一电压信号随着麦克风接收到的声音信号的变化而变化的位置；

所述数字信号处理器的输入端与所述声音检测模块的输出端电气连接，所述数字信号处理器的输出端电气连接所述声音录入模块，所述数字信号处理器用于接收所述数字电压信号，并基于所述数字电压信号控制声音录入模块开启或停止；

所述声音录入模块还与所述麦克风电气连接，所述声音录入模块用于在开启的状态下接收麦克风输入的声音信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预定位置为第一电压信号随着麦克风接收到的声音信号的变化而变化，且是变化最大的位置处。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偏置电压模块包括运算放大器、第一PMOS晶体管和第一电阻；

所述运算放大器的正向输入端与第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端接地；

所述运算放大器的反向输入端接入参考电压，所述运算放大器的反向输入端作为偏置电压模块的输入端；

所述运算放大器的输出端连接所述第一PMOS晶体管的栅极，所述运算放大器的输出端作为所述偏置电压模块的预定位置；

所述第一PMOS晶体管的漏极与麦克风电气连接，所述第一PMOS晶体管的漏极作为所述偏置电压模块的输出端；

所述第一PMOS晶体管的源极接高电平。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述声音检测模块包括：第二PMOS晶体管、电流镜像模块、麦克风静态电流补偿模块、模数转换模块和信号采集模块，其中：

所述第二PMOS晶体管的栅极与所述运算放大器的输出端连接，所述第二PMOS晶体管的栅极作为所述声音检测模块的输入端；

所述第二PMOS晶体管的源极接高电平；

所述第二PMOS晶体管的漏极与所述电流镜像模块的一端连接，并且与所述麦克风静态电流补偿模块的一端连接；

所述麦克风静态电流补偿模块的另一端接地；

所述电流镜像模块的另一端通过模数转换模块连接信号采集模块的输入端；

所述信号采集模块的输出端与所述数字信号处理器的一端连接，所述信号采集模块的输出端作为所述声音检测模块的输出端。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电流镜像模块包括第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管；

所述第一NMOS晶体管的栅极与所述第二NMOS晶体管的栅极连接；

所述第一NMOS晶体管的栅极还与第二PMOS晶体管的漏极连接；

所述第一NMOS晶体管的源极接地，所述第一NMOS晶体管的漏极与所述第一NMOS晶体管的栅极连接；

所述第二NMOS晶体管的源极接地，所述第二NMOS晶体管的漏极与所述模数转换模块的一端连接。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述模数转换模块包括斯密特迟滞反相器。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述信号采集模块包括寄存器。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第二电容；

所述声音录入模块通过第二电容与麦克风连接。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第二电阻；

所述第一PMOS晶体管的漏极通过第二电阻与麦克风连接。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述声音录入模块包括可编程增益放大器、模数转换子模块以及滤波器。

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