JP2016526331A - Vad検出マイク及びその動作方法 - Google Patents
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Abstract
マイクが、微小電気機械システム(MEMS)回路及び集積回路を含む。MEMS回路は、音声信号を電気信号に変換するように構成され、集積回路は、MEMS回路に結合され、電気信号を受け取るように構成される。集積回路及びMEMS回路は、外部ホストからクロック信号を受け取る。このクロック信号は、MEMS回路及び集積回路を、第1の期間中には全システム動作モードで動作させ、第2の期間中には音声活動動作モードで動作させる効果がある。音声活動モードは第1の消費電力を有し、全システム動作モードは第2の消費電力を有する。第1の消費電力は、第2の消費電力よりも低い。集積回路は、音声活動の検出時に割り込みを生成し、この割り込みをホストに送信するように構成される。【選択図】図2
Description
〔関連出願との相互参照〕
本出願は、2013年5月23日に出願された「VAD検出マイク及びその動作方法(VAD detection Microphone and Method of Operating the Same)」という名称の米国仮特許出願第61826587号の合衆国法典第35編第119条(e)に基づく利益を主張するものであり、この仮特許出願の内容はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。
本出願は、2013年5月23日に出願された「VAD検出マイク及びその動作方法(VAD detection Microphone and Method of Operating the Same)」という名称の米国仮特許出願第61826587号の合衆国法典第35編第119条(e)に基づく利益を主張するものであり、この仮特許出願の内容はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。
本出願はマイクに関し、具体的には、これらのマイクと共に使用する音声活動検出(VAD)法に関する。
マイクは、スピーカからの音声信号を取得するために使用される。この信号は、取得されるといくつかの異なる方法で処理することができる。最近のマイクは様々な機能を提供することができ、これらの機能は、様々な異なるアルゴリズムと相互作用してこれらのアルゴリズムを利用することができる。
例えば、モバイルシステムで使用される音声トリガは、顧客が使用したいと望む人気上昇中の機能である。例えば、ユーザは、モバイル装置にコマンドを発声し、このコマンドに応答してモバイル装置が反応するようにしたいと望むことができる。これらの場合、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)が、マイクによって取り込まれたオーディオ信号内に音声が存在するかどうかを最初に検出し、その後、この信号を解析して、受け取られたオーディオ信号内にどのような話し言葉が存在していたかを予測する。様々な音声活動検出(VAD)法が開発され、携帯電話機及びパーソナルコンピュータなどの様々なタイプの装置に展開されている。
これらの方法を使用する際には消費電力が問題になる。消費電力が低ければ低いほど、スタンバイ時間が長くなる。(特に)最近のスマートフォンでは、電力の使用が重要なパラメータである。残念ながら、現在のマイク動作方法では、多くの電力が無駄に使用されている。この結果、ユーザは、これまでの方法及びシステムに不満を抱いている。
本開示をより完全に理解するために、以下の詳細な説明及び添付図面を参照されたい。
当業者であれば、図中の要素は単純さ及び明確さを目的として示されていると認識するであろう。動作及び/又はステップの中には、特定の発生順で説明又は図示しているものもあるとさらに認識されるであろうが、当業者であれば、このような順序に関する特定性は実際には不要であると理解するであろう。また、本明細書で使用する用語及び表現は、本明細書内で別途特定の意味を記載している場合を除き、対応するそれぞれの探求及び研究分野に関するこのような用語及び表現に従う通常の意味を有することも理解されるであろう。
本方法は、現行のモバイルシステムの分割方法、マイクの機能、及びマイクの動作モードを変更するものである。この点に関し、音声又はイベント検出ブロックを含むマイクを提示し、これにより、マイクが割り込み信号を生成してシステムを起動できるようにする。
いくつかの態様では、本発明で説明するマイクが5つの外部接続を含む。第1の接続は電力接続とすることができ、第2の接続は接地接続とすることができる。第3、第4及び第5の接続は、マイクからホスト装置(例えば、マイクが存在する装置内のホスト回路)への接続である。より具体的には、第3の接続はデータ接続とすることができ、第4の接続は(マイクからホストに送られる)割り込みとすることができ、第5の接続は(ホストからマイクに送られる)クロック信号とすることができる。
マイクは、複数の動作モードを有することができ、これらの動作モードはクロック信号によって制御される。ホストは、マイクからデータ信号及び割り込み信号を受け取る。ホストは、マイクによって生成された割り込み信号によって制御される複数の電力モードを有する。ホストは、マイクのためのクロック信号を生成し、これによってマイクの動作モードを制御する。一例では、マイクが、クロックの不在時に音声活動検出モードに入る。
一例では、マイクがVAD(音声活動検出)動作モードを含む。この動作モードでは、マイクの消費電力が非常に低く、マイクは、(ホストから)外部的に又はオンチップ発振器から供給できる比較的低い周波数で動作する。
このモード中には、最も必要な信号処理しかアクティブにならないため、この動作は、非常に低い消費電力レベルを可能にする。1つの態様では、(マイクプリアンプ、アナログ・デジタル・コンバータ、電圧レギュレータ、及び微小電気機械システム(MEMS)マイクのためのバイアス電圧を供給するチャージポンプなどの)マイクのアナログ信号処理ブロックが低電力で動作する。このモードでは、これらのブロックが、VAD又はイベント検出器が機能するのに必要な帯域幅及び信号対雑音比(SNR)を達成するのに十分な低電力で動作する。例えば、デシメーション後の約8kHzの動作帯域幅、及び約60dBのSNRを実現することができる。
VAD又はイベント検出器は、周知技術を用いて実装することができる。例えば、短期エネルギー測定対長期エネルギー測定、及びゼロクロッシングなどを用いて音声信号を検出することができる。
また、インターフェイス(ホストとマイクの間の接続)は、本明細書で説明する正確な信号に限定されるものではない。この点に関し、他の信号又は他の信号の組み合わせを使用することもできる。インターフェイスの物理的実装は、異なることもできる。例えば、この実装は、単一の物理的双方向線、又は複数の単方向線とすることができる。
他の態様では、マイクが、遅延バッファをさらに含む。他の例では、起動時に、第1の送信線を介してバッファデータが送信されると同時に、第2の別個の出力線を介してリアルタイムデータが送信される。さらに他の例では、モードの切り替え時に、バッファデータがフラッシュ又は廃棄される。
さらに他の態様では、バッファデータがリアルタイムデータに追い付くように、マイクがオーバークロックされる。マイクは、複数マイク音声トリガアプリケーションに使用することもできる。一例では、マイクが起動して、バッファモード又はリアルタイムモードにおける第2のマイクのデータ同期を可能にする。
ここで、図1を参照しながら、VADアルゴリズムを有するマイク102を使用する、省電力機能を含むシステム100について説明する。1つの例では、マイク102が、(MEMSダイ、ダイアフラム及び帯電プレートを含む)MEMSチップ、及び特定用途向け集積回路を含むことができる。このシステムは、ホスト104も含む。ホスト104は、様々な処理機能を含むことができ、マイク102を含む装置(例えば、パーソナルコンピュータ、セルラー電話機、携帯電話機又はタブレット)の一部とすることができる。
マイク102には、VDD電力信号112及び接地信号114が結合される。マイク102からホスト104へは、割り込み信号108及びデータ信号110が送信される。ホスト104からマイク102へは、クロック信号106が送信される。
図1のシステム100の1つの動作例では、マイク102が複数の動作モードを有し、これらの動作モードがクロック信号106によって制御される。ホスト104は、マイク102からデータ信号110及び割り込み信号108を受け取る。ホスト104は、音声活動又は特定の音声イベント(例えば、特定の話し言葉)の検出時に、マイク102によって生成された割り込み信号108によって制御される複数の電力モードを有する。ホスト104は、マイク102のためのクロック信号106を生成し、これによってマイク102の動作モードを制御する。
一例では、マイク102が、VAD(音声活動検出)動作モードを含む。このモードでは、マイク102の消費電力が非常に低く、マイクは、(ホスト104によって供給されるクロック信号106から)外部的に又はマイク102の内部オンチップ発振器から供給できる比較的低い周波数で動作する。この結果、割り込みが行われた際に、低電力動作モードを高電力動作モードに変更することができる。認識されるように、システムは、この割り込みによって低電力動作モード及び高電力動作モードの両方で動作することができる。
いくつかの態様では、集積回路及びMEMS回路が、外部ホストからクロック信号を受け取る。このクロック信号は、MEMS回路及び集積回路を、第1の期間中には全システム動作モードで動作させ、第2の期間中には音声活動動作モードで動作させる効果がある。音声活動モードは、第1の消費電力又はレベルを有し、全システム動作モードは、第2の消費電力又はレベルを有する。第1の消費電力は、第2の消費電力よりも低い。集積回路は、音声活動の検出時に割り込みを生成し、この割り込みをホストに送信するように構成される。マイクは、クロックの不在時には音声活動検出モードに入る。クロック回路は、他のコンポーネントと同じチップ上に存在することも、又は外部的に存在することもできる。
他の態様では、この方法が、内部クロックを第3の消費電力又はレベルで動作させ、その後に外部データストリーム及びクロックを生成して、システムに第4の消費電力又はレベルで動作するように合図する能力を提供する。第3の電力レベルは第4の電力レベルよりも低く、第4の電力レベルは第1の電力レベルよりも低い。
さらに他の態様では、外部クロックを検出して、音声活動の検出後に適用することができる。この時、内部クロックは外部クロックに同期される。さらに、同期後には、VAD信号処理も外部クロックに同期される。
さらに他の態様では、外部クロックが除去されて全体的なシステムパワーが減少した時に、システムが再び内部クロックに戻り、第1又は第2の電力レベルで省電力を行うことができる。
別の例では、信号とクロックの組み合わせとして機能するクロックと音響活動検出の内部的組み合わせから外部信号を生成して、割り込み/起動を行って音声信号を認識するようにホストに合図することができる。一例では、バッファ後の入力信号の帯域幅を、約8kHzとすることができる。他の例も可能である。データは、PCM又はPDMフォーマットで提供することができる。他のフォーマット例も可能である。
次に、図2を参照しながら、VADアルゴリズムを用いたマイクを使用するシステムの様々な動作状態のフローチャートについて説明する。図2の方法は、VADモード202、(部分的)ホスト起動モード204、及び全システム動作モード206という3つの動作モードを有する。
VADモード202では、マイクからデータが送信されることはない。ホストは、このモードではスリープ状態である。1つの態様では、ホストがスリープ状態の時には、マイクから生成された割り込み信号に反応する必要がある機能のみが有効になる。このモードでは、ホストが電力を下げるように非常に低いクロックでクロック制御され、不必要な機能は全て停止する。このモードでは、不必要なブロックが全て停止し、クロック又はデータ信号の切り替えも行われないので、このモードは絶対可能最低消費電力を有する。換言すれば、モード202は低電力モードであり、この場合、VADは有効であり、ホストから外部クロックは受け取られていない。
(部分的)ホスト起動モード204では、ホストから外部クロックが受け取られる。マイクからはデータが送信される。ホストは、キーワード及び/又は音声活動の検出によって部分的に起動する。その後、信頼できるキーワード検出を行うのに十分な高性能レベルに対応するクロック周波数を有するマイクの外部クロックが有効になる。
全システム動作モード206は、マイクの高電力又は標準動作モードである。
図2の状態遷移図の1つの動作例では、システムがモード202から開始する。VADアルゴリズムは、VADモード202から部分的起動/起動モード204への遷移をトリガするイベントを検出する。
モード204では、ホストがキーワード/発話を検出し、特定のキーワード、語句又は文が認識されたと判断する。この判断により、モード204から全システム起動206への遷移がトリガされる。
モード206では、ホストのキーワード検出/発話認識アルゴリズムが、キーワード、語句又は文が認識されていないと判断し、これによってVADモード202に戻る遷移がトリガされる。この点に関し、(図2には示していない)別のモード又は状態により、システムが部分的起動/起動モード204に入るべきか、それともVADモード202に直接進むべきかが判断される。
次に、図3を参照しながら、VADアルゴリズムを使用する、省電力機能を含むマイク300について説明する。マイク300は、マイクチップ又はデバイス302を含む。マイクチップ302は、MEMSダイ、ダイアフラム及び帯電プレートを含む。システムは、ASIC304も含む。ASIC304は、様々な処理機能を含むことができる。MEMSチップ302は、MEMSチップ302に給電するためのチャージポンプ信号315をASIC304から受け取る。
ASIC304には、VDD電力信号312及び接地信号314が結合される。ASIC304は、ホスト(例えば、図1のホスト104)から割り込み信号308及びデータ信号310を受け取る。ホストからはクロック信号306が送信され、この信号もASIC304によって受け取られる。
図3のマイク300の1つの動作例では、マイク300が複数の動作モードを有し、これらの動作モードがクロック信号306によって制御される。MEMSチップ302は音声信号を受け取り、この音が電気信号に変換され、データリード線311を介してASIC304に送信される。ASIC304は、この信号をデータ信号に処理し、データ信号310を送信し、割り込み信号308も生成する。ホスト(例えば、図1の104)は、クロック信号306を生成し、このクロック信号がマイク300の動作モードを制御する。
一例では、マイク300が、VAD(音声活動検出)動作モードを含む。このモードでは、マイク300の消費電力が非常に低く、マイクは、(ホストによって供給されるクロック信号306から)外部的に又はマイク300の内部オンチップ発振器から供給できる比較的低い周波数で動作する。この結果、割り込みが行われた際に、低電力動作を高電力動作に変更することができる。システムは、この割り込みによって低電力動作モード及び高電力動作モードの両方で動作することができる。
次に、図4を参照しながら、特定用途向け集積回路400(ASIC)のブロック図について説明する。ASIC400は、チャージポンプ(CHP)402、増幅器404、アナログ・デジタル・コンバータ406、音声活動検出器(VAD)408、(発振器412を含む)制御ブロック410、及びスイッチ414を含む。
チャージポンプ(CHP)402は、MEMS素子(図3のMEMSチップ302)に帯電させて、静電容量の変化を電圧に変換する。増幅器404は、MEMS素子(図3のMEMSチップ302)の電気信号をバッファし、その後に利得Aで信号を増幅する。
A/Dコンバータ406は、増幅器404からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。音声活動検出器(VAD)408は、A/Dコンバータ406からのデジタル信号を処理し、音声が検出された場合には割り込み信号411を生成する。制御ブロック410は、(ホストから受け取られた)外部クロック信号413及びVAD検出器からの割り込み信号411に応答してASIC400の内部状態を制御する。スイッチ414は、制御ブロック410により、データ415を外部ホストに送信できるように制御される。
A/Dコンバータ406の出力において、バッファを含めることができる。このバッファは、オーディオ信号を表すデータをバッファし、VAD408の遅延(例えば、1つの範囲例を挙げれば10ms〜360msであるが、他の範囲も可能)に対応又は近似することができる。A/Dコンバータの出力において、バッファサイズ(サンプラーRAM)及び電力を下げるためにデシメーションフィルタ段を含めることができ、これによって帯域幅を制限する。この場合、バッファ出力において補間段も追加しなければならない。この場合、遅延を約200msecとすることができる。別の例では、遅延を約360msecとすることができる。他の遅延値の例も可能である。バッファは、ホストを起動するために待ち時間が必要とされるあらゆる認識アルゴリズムを可能にし、十分な背景雑音統計を収集し、周囲雑音内のキーフレーズを認識するように提供される。
バッファデータは、割り込み線411又はデータ線415などの何らかの接続を介してホストに送信することができる。データ線415を介してデータを送信する場合、サンプリングクロックに比べて高いクロックレートでデータを送信することができる。
また、VAD408のパラメータ又は設定を変更又は制御することもできる。例えば、VAD408のレジスタ及び(消去可能及び消去不能)メモリの読み取り又は書き込み設定を、例えば様々なレベルの背景雑音を考慮するように変更又は制御することができる。
VAD408の機能を拡張又は変更することもできる。例えば、音声又は語句検出を使用することができる。他の機能を含めることもできる。
次に、図5を参照しながら、ホスト500のブロック図について説明する。ホスト500は、インターフェイスブロック502、(キーワード検出ブロック506、及び単語/音声認識ブロック508を含む)デジタル信号処理(DSP)ブロック504、(オンチップ発振器511によってクロック制御される)制御ブロック510、及びメモリ512を含む。
インターフェイスブロック502は、マイク(例えば、図1のマイク102)に対するインターフェイス機能を提供する。インターフェイスブロックは、マイクにクロック信号520を送信し、マイクから割り込み信号522及びデータ信号524を受け取る。DSPブロックは、(キーワードを検出する)キーワード検出ブロック506及び(単語又は音声を検出する)単語/音声認識ブロック508を用いてデータ信号を2ステップで処理する。
制御ブロック510は、マイク(例えば、図1のマイク102)、ホスト500のブロック、並びに(図5には示していない)ホスト及びマイクの外部の他のブロック及び機能を含むシステム全体の電力状態を制御する。
メモリ512は、システムの状態、データ及びその他の情報を記憶する。オンチップ発振器511は、制御ブロック510から制御可能であり、少なくとも2つの電力モードに対応する少なくとも2つのクロックモードを可能にする。
次に、図6を参照しながら、VADアルゴリズムを使用する、省電力機能を含むマイクの動作を示すタイミング図について説明する。図6の信号は、システム、特にマイクがどのように音声/イベント信号に反応して割り込み信号を生成するかを示すものである。このタイミング図には、割り込み信号に続き、ホストがホスト自体のモードを変更した後にクロック信号の周波数を変更してマイクのモードを変更することにより、どのように割り込み信号に反応するかを示している。
信号602は、オーディオ信号を示す。オーディオ信号が検出されると、マイクは、信号604によって示す割り込みを生成する。マイクは、信号606によって示すデータも生成する。信号608によって理解できるように、ホストは、割り込みに応答して、(マイクに送信する)クロック信号を低周波信号から高周波信号に変更する。(信号610によって示す)別の例では、ホストが、(イベント前の)低電力モードではクロック信号を送信せず、イベントの検出時に高周波クロック信号のみを開始することもできる。
本明細書では、発明者らに周知の、発明を実施するための最良の形態を含む本発明の好ましい実施形態を説明した。図示の実施形態は例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。
202 VADモード
204 部分的ホスト起動
206 全システム動作
204 部分的ホスト起動
206 全システム動作
Claims (20)
- 音声信号を電気信号に変換するように構成された微小電気機械システム(MEMS)回路と、
前記MEMS回路に結合され、前記電気信号を受け取るように構成された集積回路と、
を備えたマイクであって、
前記集積回路及び前記MEMS回路は、該MEMS回路及び該集積回路を、第1の期間中には全システム動作モードで動作させ、第2の期間中には音声活動動作モードで動作させる効果のあるクロック信号を外部ホストから受け取り、前記音声活動動作モードは第1の消費電力を有し、前記全システム動作モードは第2の消費電力を有し、前記第1の消費電力は前記第2の消費電力よりも低く、前記集積回路は、音声活動の検出時に割り込みを生成し、該割り込みを前記ホストに送信するように構成され、前記マイクは、クロックの不在時に音声活動検出モードに入る、
ことを特徴とするマイク。 - 前記ホストは、携帯電話機、タブレット又はパーソナルコンピュータ内の回路を含む、
請求項1に記載のマイク。 - 前記集積回路は、特定用途向け集積回路(ASIC)である、
請求項1に記載のマイク。 - 前記音声活動は、キーワード、語句又は文を含む、
請求項1に記載のマイク。 - 前記MEMS回路及び前記集積回路は、第3の期間中にスリープモードで動作する、
請求項1に記載のマイク。 - 遅延バッファをさらに備える、
請求項1に記載のマイク。 - 起動時に、第1の送信線を介してバッファデータが送信されると同時に、第2の別個の出力線を介してリアルタイムデータが送信される、
請求項1に記載のマイク。 - モードの切り替え時に、バッファデータがフラッシュ又は廃棄される、
請求項1に記載のマイク。 - 前記マイクは、バッファデータがリアルタイムデータに追い付くようにオーバークロックされる、
請求項1に記載のマイク。 - 前記マイクが起動して、バッファモード又はリアルタイムモードにおける第2のマイクのデータ同期を可能にする、
請求項1に記載のマイク。 - 音声信号を電気信号に変換するシステムであって、
外部ホストと、
マイクと、
を備え、前記マイクは、
音声信号を電気信号に変換するように構成された微小電気機械システム(MEMS)回路と、
前記MEMS回路に結合され、前記電気信号を受け取るように構成された集積回路と、
を備え、
前記集積回路及び前記MEMS回路は、該MEMS回路及び該集積回路を、第1の期間中には全システム動作モードで動作させ、第2の期間中には音声活動動作モードで動作させる効果のあるクロック信号を前記外部ホストから受け取り、前記音声活動動作モードは第1の消費電力を有し、前記全システム動作モードは第2の消費電力を有し、前記第1の消費電力は前記第2の消費電力よりも低く、前記集積回路は、音声活動の検出時に割り込みを生成し、該割り込みを前記ホストに送信するように構成される、
ことを特徴とするシステム。 - 前記ホストは、携帯電話機、タブレット又はパーソナルコンピュータ内の回路を含む、
請求項11に記載のシステム。 - 前記集積回路は、特定用途向け集積回路(ASIC)である、
請求項11に記載のシステム。 - 前記音声活動は、キーワード、語句又は文を含む、
請求項11に記載のシステム。 - 前記MEMS回路及び前記集積回路は、第3の期間中にスリープモードで動作する、
請求項11に記載のシステム。 - 音声信号を電気信号に変換するように構成された微小電気機械システム(MEMS)回路と、該MEMS回路に結合され、前記電気信号を受け取るように構成された集積回路とを備えたマイクの動作方法であって、
前記集積回路及び前記MEMS回路において、該MEMS回路及び該集積回路を第1の時点において全システム動作モードで動作させ、第2の時点において音声活動動作モードで動作させる効果のあるクロック信号を外部ホストから受け取るステップと、
第1の期間中に、第1の消費電力を伴う前記音声活動動作モードで動作し、第2の期間中に、前記第1の消費電力よりも高い第2の消費電力を伴う前記全システム動作モードで動作するステップと、
音声活動の検出時に、前記集積回路によって割り込みを生成し、該割り込みを前記ホストに送信するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記ホストは、携帯電話機、タブレット又はパーソナルコンピュータ内の回路を含む、
請求項16に記載の方法。 - 前記集積回路は、特定用途向け集積回路(ASIC)である、
請求項16に記載の方法。 - 前記音声活動は、キーワード、語句又は文を含む、
請求項16に記載の方法。 - 前記MEMS回路及び前記集積回路は、第3の期間中にスリープモードで動作する、
請求項16に記載の方法。
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