TWM621689U - 具自適應近距收音的微機電麥克風系統 - Google Patents

Abstract

一種具自適應近距收音的微機電麥克風系統，透過在微機電麥克風提供電源腳位、接地腳位、選擇腳位、第一腳位及第二腳位，並且允許第一腳位及第二腳位與外部的主機單元電性連接，以及允許主機單元通過第二腳位輸入時脈頻率，並根據輸入的時脈頻率調整微機電麥克風與主機單元之間的傳輸模式，同時判斷聲音訊號為人聲或噪聲，並且根據判斷結果調整微機電麥克風的運作參數，藉以達到提高微機電麥克風的可用性之技術功效。

Description

具自適應近距收音的微機電麥克風系統

本創作涉及一種麥克風系統，特別是具自適應近距收音的微機電麥克風系統。

近年來，隨著半導體技術的普及與蓬勃發展，各種電子零件的微型化已經不成問題，甚至可以在不犧牲功能性的前提下達到微型化的目的，例如：微機電麥克風（MEMS Microphones）。

一般而言，傳統封裝的微機電麥克風往往被當作被動元件使用，假設需要外部控制訊號或其它特殊功能，會透過額外的腳位進行操作。然而腳位數量越多，便需要較大的封裝架構與晶圓面積，即意味著需要越高的成本；此外，腳位數量越多，亦代表其導線彼此之間可能存在更多的訊號干擾與不等量的訊號衰減。

從應用層面來看，使用微機電麥克風收音時，假設聲音來源在不同位置，那麼微機電麥克風收進來的音量大小會因為位置不同而不一致，此時需要不同的放大量級，來使音量達到相同水平。舉例來說，傳統上會使用兩個麥克風分別接收近場和遠場的聲音，由於遠場的聲音較小，所以會使用較大的倍率來放大遠場的聲音，然而這種透過後端的軟體來處理音訊的方式，往往會讓雜訊與訊號連動地放大，影響使用者體驗。除此之外，由於近場和遠場收到的音訊大小差距甚大，所以後端處理需要一個大範圍的編碼系統，才能精準地還原所有接收到的聲音，使近場的高分貝音訊不會飽和，遠場的低分貝音訊不至於收不到，只不過這樣大範圍的編碼系統必然存在著建構成本較高、處理速度較慢等問題。

有鑑於此，有廠商提出波束成型（Beamforming）的技術手段，其利用多個麥克風組成麥克風陣列進行全向性收音，並且比對各麥克風的訊號時間與強度差異來判斷聲音來源方向，進而抑制目標方向以外的聲音（如：調整波束成型參數），用以達到聚焦來自目標方向的聲音之效果。麥克風陣列在設計的架構上需要考量到麥克風的擺放位置、擺放角度，及不同麥克風在規格上的差異，此外，還需要將應用產品（如：會議通話機、智慧電視）的產品外觀、內部空間、電路走線等硬體環境因素納入綜合考量，也因為設計彈性較小，導致麥克風陣列的建構成本偏高。

綜上所述，可知先前技術在長期以來一直存在微機電麥克風的可用性不足的問題，因此實有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。

本創作揭露一種具自適應近距收音的微機電麥克風系統。

首先，本創作揭露一種具自適應近距收音的微機電麥克風系統，應用在微機電麥克風，其包含：收音模組、語音偵測模組、調整模組及輸入輸出介面。其中，收音模組用以在微機電麥克風啟動後，持續透過收音元件接收聲音訊號；語音偵測模組電性連接收音模組，用以將聲音訊號與參考訊號進行比較，並且根據比較結果進行計數、微分及取絕對值後，再進行累加以產生阿法值，當阿法值小於N時，將聲音訊號作為人聲，當阿法值大於等於N時，將聲音訊號作為噪聲，其中N為正整數；調整模組電性連接語音偵測模組，用以在聲音訊號為人聲時，產生第一控制訊號，以及在聲音訊號為噪聲時，產生第二控制訊號，並且允許自動根據產生的第一控制訊號及第二控制訊號調整微機電麥克風的運作參數；以及輸入輸出介面電性連接調整模組，此輸入輸出介面包含電源腳位、接地腳位、選擇腳位、第一腳位及第二腳位，並且允許第一腳位及第二腳位與外部的主機單元電性連接，以及允許主機單元通過第二腳位輸入時脈頻率，當時脈頻率大於第一預設值時，將第一腳位作為脈衝密度調變（Pulse Density Modulation, PDM）的訊號線、將第二腳位作為外部時脈訊號線，以及根據選擇腳位的電位選擇左右聲道，當時脈頻率小於第二預設值時，將第一腳位作為積體匯流排電路（Inter-Integrated Circuit Bus, I ²C Bus）的串列資料線（Serial Data Line, SDA）、將第二腳位作為積體匯流排電路的串列時脈線（Serial Clock Line, SCL），以及根據所述選擇腳位的電位選擇積體匯流排電路的裝置識別碼位址。

本創作所揭露之系統如上，與先前技術的差異在於本創作是透過在微機電麥克風提供電源腳位、接地腳位、選擇腳位、第一腳位及第二腳位，並且允許第一腳位及第二腳位與外部的主機單元電性連接，以及允許主機單元通過第二腳位輸入時脈頻率，以便根據輸入的時脈頻率調整選擇腳位、第一腳位及第二腳位的傳輸模式，同時判斷聲音訊號為人聲或噪聲，並且根據判斷結果調整微機電麥克風的運作參數。

透過上述的技術手段，本創作可以達成提高微機電麥克風的可用性之技術功效。

以下將配合圖式及實施例來詳細說明本創作之實施方式，藉此對本創作如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。

首先，在說明本創作所揭露之具自適應近距收音的微機電麥克風系統之前，先對本創作所應用的環境作說明，本創作是應用在微機電麥克風，用以接收聲音訊號，並且判斷聲音訊號為人聲或噪聲，以便根據判斷結果進行相應的處理，例如：當聲音訊號為人聲時，放大聲音訊號；當聲音訊號為噪聲時，進行抗噪濾波處理。另一方面，微機電麥克風會根據輸入的時脈不同而使連接腳位切換為不同模式，舉例來說，當輸入的時脈為500KHz以上時，微機電麥克風的部分腳位為音訊傳輸模式，可用來輸出脈衝密度調變訊號、輸入時脈及決定左右聲道；當輸入的時脈為350KHz以下時，腳位為積體匯流排電路傳輸模式，可用來輸出串列資料、輸入時脈及選擇積體匯流排電路的裝置識別碼位址。如此一來，便可在不增加腳位數量的前提下，大幅提高微機電麥克風可用性。

以下配合圖式對本創作具自適應近距收音的微機電麥克風系統做進一步說明，請先參閱「第1圖」，「第1圖」為本創作具自適應近距收音的微機電麥克風系統的系統方塊圖，應用在微機電麥克風110，此系統包含：收音模組111、語音偵測模組112、調整模組113及輸入輸出介面114。其中，收音模組111用以在微機電麥克風110啟動後，持續透過收音元件接收聲音訊號。在實際實施上，所述收音元件可電性連接類比前端電路（Analog Front End, AFE）、類比數位轉換器（Analog-to-digital converter, ADC）、主動抗噪模組及放大器等等。

語音偵測模組112電性連接收音模組111，用以將聲音訊號與參考訊號進行比較，並且根據比較結果進行計數、微分及取絕對值後，再進行累加以產生阿法值，當阿法值小於N時，將聲音訊號作為人聲，當阿法值大於等於N時，將聲音訊號作為噪聲，其中N為正整數。在實際實施上，所述語音偵測模組112包含相互電性連接的比較器、計數器、微分器及累加器，所述比較器將收音模組111接收到聲音訊號與參考訊號進行比較並輸出比較結果，以及由計數器對比較結果進行計數，再由微分器對計數器的輸出結果進行微分且取絕對值以產生阿法值。

調整模組113電性連接語音偵測模組112，用以在聲音訊號為人聲時，產生第一控制訊號，以及在聲音訊號為噪聲時，產生第二控制訊號，並且允許自動根據產生的第一控制訊號及第二控制訊號調整微機電麥克風110的運作參數。在實際實施上，調整模組113更允許將產生的第一控制訊號、第二控制訊號及聲音訊號通過第一腳位傳送至主機單元120，由主機單元120根據人聲及噪聲設定相應的運作參數，並且通過第一腳位傳送設定完成的運作參數以驅動微機電麥克風110。除此之外，當第一控制訊號產生時，所述運作參數可包含對聲音訊號進行濾波、音量調整或其組合，甚至是比對背景噪聲後，自適應性地調整微機電麥克風110的音量；當第二控制訊號產生時，所述運作參數可包含對聲音訊號進行抗噪濾波處理、雜訊頻譜分析、參數調整或其組合。實際上，調整模組113更可根據所述運作參數在禁能（Disable）或致能（Enable）類比數位轉換器、電源開關及降低聲音訊號的取樣速率中選擇至少其中之一，舉例來說，在第二控制訊號產生時，因為聲音訊號為噪聲，所以可選擇禁能類比數位轉換器、部分電源開關及降低聲音訊號的取樣速率等等，以便節省電源及微機電麥克風110的運算資源，直到第一控制訊號產生時，再重新致能原先被禁能的元件及恢復原本的取樣速率。實際上，可將第一控制訊號及第二控制訊號傳送至類比數位轉換器、類比前端電路、語音偵測模組112等等，用以進行禁能、致能或參數調整等相關控制，甚至根據背景噪聲的頻段，動態調整微機電麥克風110的濾波參數。

輸入輸出介面114電性連接調整模組113，此輸入輸出介面114包含電源腳位、接地腳位、選擇腳位、第一腳位及第二腳位，並且允許第一腳位及第二腳位與外部的主機單元120電性連接，以及允許主機單元120通過第二腳位輸入時脈頻率，當時脈頻率大於第一預設值時，將第一腳位作為脈衝密度調變的訊號線、將第二腳位作為外部時脈訊號線，以及根據選擇腳位的電位選擇左右聲道，當時脈頻率小於第二預設值時，將第一腳位作為積體匯流排電路的串列資料線、將第二腳位作為積體匯流排電路的串列時脈線，以及根據選擇腳位的電位選擇積體匯流排電路的裝置識別碼位址。

特別要說明的是，在實際實施上，本創作所述的模組皆可部分地或完全地基於硬體來實現，例如，系統中的一個或多個模組可以透過積體電路晶片、系統單晶片（System on Chip, SoC）、複雜可程式邏輯裝置（Complex Programmable Logic Device, CPLD）、現場可程式邏輯閘陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）等來實現。本創作可以是系統及／或儲存有電腦程式的電腦可讀儲存媒體，即：載有用於使處理器實現本創作的各個方面的電腦可讀程式指令，電腦可讀儲存媒體可以是可以保持和儲存由指令執行設備使用的指令的有形設備。電腦可讀儲存媒體可以是但不限於電儲存設備、磁儲存設備、光儲存設備、電磁儲存設備、半導體儲存設備或上述的任意合適的組合。電腦可讀儲存媒體的更具體的例子（非窮舉的列表）包括：硬碟、隨機存取記憶體、唯讀記憶體、快閃記憶體、光碟、軟碟以及上述的任意合適的組合。此處所使用的電腦可讀儲存媒體不被解釋爲瞬時訊號本身，諸如無線電波或者其它自由傳播的電磁波、通過波導或其它傳輸媒介傳播的電磁波（例如，通過光纖電纜的光訊號）、或者通過電線傳輸的電訊號。另外，此處所描述的電腦可讀程式指令可以從電腦可讀儲存媒體下載到各個計算／處理設備，或者通過網路，例如：網際網路、區域網路、廣域網路及／或無線網路下載到外部電腦設備或外部儲存設備。網路可以包括銅傳輸電纜、光纖傳輸、無線傳輸、路由器、防火牆、交換器、集線器及／或閘道器。每一個計算／處理設備中的網路卡或者網路介面從網路接收電腦可讀程式指令，並轉發此電腦可讀程式指令，以供儲存在各個計算／處理設備中的電腦可讀儲存媒體中。執行本創作操作的電腦程式指令可以是組合語言指令、指令集架構指令、機器指令、機器相關指令、微指令、韌體指令、或者以一種或多種程式語言的任意組合編寫的原始碼或目的碼（Object Code），所述程式語言包括物件導向的程式語言，如：Common Lisp、Python、C++、Objective-C、Smalltalk、Delphi、Java、Swift、C#、Perl、Ruby與PHP等，以及常規的程序式（Procedural）程式語言，如：C語言或類似的程式語言。所述電腦程式指令可以完全地在電腦上執行、部分地在電腦上執行、部分在客戶端電腦上部分在遠端電腦上執行、或者完全在遠端電腦或伺服器上執行。

請參閱「第2A圖」及「第2B圖」，「第2A圖」及「第2B圖」為本創作具自適應近距收音的微機電麥克風運作方法的方法流程圖，應用在微機電麥克風110，其步驟包括：提供電源腳位、接地腳位、選擇腳位、第一腳位及第二腳位，並且允許第一腳位及第二腳位與外部的主機單元120電性連接，以及允許主機單元120通過第二腳位輸入時脈頻率（步驟210）；在微機電麥克風110啟動後，持續透過收音元件接收聲音訊號（步驟220）；將聲音訊號與參考訊號進行比較，並且根據比較結果進行計數、微分及取絕對值後，再進行累加以產生阿法值，當阿法值小於N時，將聲音訊號作為人聲，當阿法值大於等於N時，將聲音訊號作為噪聲，其中N為正整數（步驟230）；在聲音訊號為人聲時，產生第一控制訊號，以及在聲音訊號為噪聲時，產生第二控制訊號，並且允許自動根據產生的第一控制訊號及第二控制訊號調整微機電麥克風110的運作參數（步驟240）；當通過第二腳位輸入的時脈頻率大於第一預設值時，將第一腳位作為脈衝密度調變的訊號線、將第二腳位作為外部時脈訊號線，以及根據選擇腳位的電位選擇左右聲道，當時脈頻率小於第二預設值時，將第一腳位作為積體匯流排電路的串列資料線、將第二腳位作為積體匯流排電路的串列時脈線，以及根據選擇腳位的電位選擇積體匯流排電路的裝置識別碼位址（步驟250）。透過上述步驟，即可透過在微機電麥克風110提供電源腳位、接地腳位、選擇腳位、第一腳位及第二腳位，並且允許第一腳位及第二腳位與外部的主機單元120電性連接，以及允許主機單元120通過第二腳位輸入時脈頻率，以便根據輸入的時脈頻率調整選擇腳位、第一腳位及第二腳位的傳輸模式，同時判斷聲音訊號為人聲或噪聲，並且根據判斷結果調整微機電麥克風110的運作參數。

以下配合「第3圖」及「第4圖」以實施例的方式進行如下說明，如「第3圖」所示意，「第3圖」為本創作共用腳位之示意圖。在實際實施上，輸入輸出介面300可包含：電源腳位301、接地腳位302、選擇腳位303、第一腳位304及第二腳位305，並且允許第一腳位304及第二腳位305與外部的主機單元120電性連接，以及允許主機單元120通過第二腳位305輸入時脈頻率。當主機單元120在第二腳位305輸入的時脈頻率大於第一預設值（如：500KHz）時，可視為音訊模式，此模式會將第一腳位304作為脈衝密度調變的訊號線，用以輸出PDM訊號、將第二腳位305作為外部時脈訊號線，用以輸入外部時脈訊號，以及根據選擇腳位303的電位高低選擇左右聲道。另外，若主機單元120在第二腳位305輸入的時脈頻率小於第二預設值（如：350KHz）時，可視為積體匯流排電路傳輸模式，此模式會將第一腳位304作為I ²C的串列資料線（SDA），用以傳輸資料、將第二腳位305作為I ²C的串列時脈線（SCL），用以提供時脈，以及根據選擇腳位的電位選擇I ²C的裝置識別碼位址。特別要補充的是，雖然上述舉例是以五個腳位為例，但本創作並不以此為限，也就是說還可以再增加一個第三腳位作為選項腳位306，並且同樣在第二腳位305輸入不同時脈訊號的情況下，分別提供不同的額外功能。

除此之外，在步驟240之後，還可允許將產生的第一控制訊號、第二控制訊號及聲音訊號通過第一腳位傳送至主機單元120，由主機單元120根據人聲及噪聲設定相應的運作參數，並且通過第一腳位傳送設定完成的運作參數以驅動微機電麥克風110（步驟241）；以及根據所述運作參數在禁能或致能類比數位轉換器、電源開關及降低聲音訊號的取樣速率中選擇至少其中之一（步驟242）。如此一來，微機電麥克風110即可根據不同的聲音類型自適應地進行相應的處理，並且能夠在噪聲時，因為禁能部分開關、元件或降低取樣速率而達到省電的功效。

請參閱「第4圖」，「第4圖」為本創作根據聲音類型調整微機電麥克風的運作參數之示意圖。在微機電麥克風110啟動後，將持續透過收音元件接收聲音訊號，此聲音訊號會與預設的參考訊號一同輸入比較器410以比較大小，接著，將比較器410輸出的比較結果輸入計數器420以進行計數，如：加1或減1，以及將計數器420輸出的值輸入微分器430以進行微分，進而得到「1」、「0」及「-1」等三種輸出，再取絕對值經過累加器440累加後即可得到阿法值「a」。此時，可根據阿法值的大小來判斷聲音訊號為人聲或噪聲，舉例來說，當阿法值小於N時，將聲音訊號作為人聲；當阿法值大於等於N時，將聲音訊號作為噪聲，其中N為正整數。此時，微機電麥克風110可根據聲音訊號的類型（即：人聲或噪聲）產生相應的控制訊號，例如：在人聲時產生第一控制訊號；在噪聲時產生第二控制訊號，以便允許微機電麥克風110自動根據產生的第一控制訊號及第二控制訊號調整其運作參數。以產生第一控制訊號為例，調整後的運作參數可使微機電麥克風110進行濾波、音量調整等聲音處理；以產生第二控制訊號為例，調整後的運作參數可使微機電麥克風110進行噪聲處理，如：雜訊頻譜分析、抗雜訊處理等等，甚至還可以降低取樣速率、禁能某些功能，如：部分電源、開關、類比數位轉換器等等。

綜上所述，可知本創作與先前技術之間的差異在於透過在微機電麥克風提供電源腳位、接地腳位、選擇腳位、第一腳位及第二腳位，並且允許第一腳位及第二腳位與外部的主機單元電性連接，以及允許主機單元通過第二腳位輸入時脈頻率，以便根據輸入的時脈頻率調整選擇腳位、第一腳位及第二腳位的傳輸模式，同時判斷聲音訊號為人聲或噪聲，並且根據判斷結果調整微機電麥克風的運作參數，藉由此一技術手段可以解決先前技術所存在的問題，進而達成提高微機電麥克風的可用性之技術功效。

雖然本創作以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何熟習相像技藝者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本創作之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

110:微機電麥克風 111:收音模組 112:語音偵測模組 113:調整模組 114:輸入輸出介面 120:主機單元 300:輸入輸出介面 301:電源腳位 302:接地腳位 303:選擇腳位 304:第一腳位 305:第二腳位 306:選項腳位 410:比較器 420:計數器 430:微分器 440:累加器 步驟210:提供一電源腳位、一接地腳位、一選擇腳位、一第一腳位及一第二腳位，並且允許該第一腳位及該第二腳位與外部的一主機單元電性連接，以及允許該主機單元通過該第二腳位輸入一時脈頻率 步驟220:在微機電麥克風啟動後，持續透過至少一收音元件接收一聲音訊號 步驟230:將該聲音訊號與一參考訊號進行比較，並且根據比較結果進行計數、微分及取絕對值後，再進行累加以產生一阿法值，當該阿法值小於N時，將該聲音訊號作為一人聲，當該阿法值大於等於N時，將該聲音訊號作為一噪聲，其中N為正整數 步驟240:在該聲音訊號為該人聲時，產生一第一控制訊號，以及在該聲音訊號為該噪聲時，產生一第二控制訊號，並且允許自動根據產生的該第一控制訊號及該第二控制訊號調整該微機電麥克風的至少一運作參數 步驟241:允許將產生的該第一控制訊號、該第二控制訊號及該聲音訊號通過該第一腳位傳送至該主機單元，由該主機單元根據該人聲及該噪聲設定相應的所述運作參數，並且通過該第一腳位傳送設定完成的所述運作參數以驅動該微機電麥克風 步驟242:根據所述運作參數在禁能或致能一類比數位轉換器、一電源開關及降低該聲音訊號的取樣速率中選擇至少其中之一 步驟250:當通過該第二腳位輸入的該時脈頻率大於一第一預設值時，將該第一腳位作為脈衝密度調變的訊號線、將該第二腳位作為外部時脈訊號線，以及根據該選擇腳位的電位選擇左右聲道，當該時脈頻率小於一第二預設值時，將該第一腳位作為積體匯流排電路的串列資料線、將該第二腳位作為積體匯流排電路的串列時脈線，以及根據該選擇腳位的電位選擇積體匯流排電路的裝置識別碼位址

第1圖為本創作具自適應近距收音的微機電麥克風系統的系統方塊圖。 第2A圖及第2B圖為本創作具自適應近距收音的微機電麥克風運作方法的方法流程圖。 第3圖為本創作共用腳位之示意圖。 第4圖為本創作根據聲音類型調整微機電麥克風的運作參數之示意圖。

110:微機電麥克風

111:收音模組

112:語音偵測模組

113:調整模組

114:輸入輸出介面

120:主機單元

Claims (5)

1. 一種具自適應近距收音的微機電麥克風系統，應用在一微機電麥克風，該系統包含： 一收音模組，用以在該微機電麥克風啟動後，持續透過至少一收音元件接收一聲音訊號； 一語音偵測模組，電性連接該收音模組，用以將該聲音訊號與一參考訊號進行比較，並且根據比較結果進行計數、微分及取絕對值後，再進行累加以產生一阿法值，當該阿法值小於N時，將該聲音訊號作為一人聲，當該阿法值大於等於N時，將該聲音訊號作為一噪聲，其中N為正整數； 一調整模組，電性連接該語音偵測模組，用以在該聲音訊號為該人聲時，產生一第一控制訊號，以及在該聲音訊號為該噪聲時，產生一第二控制訊號，並且允許自動根據產生的該第一控制訊號及該第二控制訊號調整該微機電麥克風的至少一運作參數；以及 一輸入輸出介面，電性連接該調整模組，該輸入輸出介面包含一電源腳位、一接地腳位、一選擇腳位、一第一腳位及一第二腳位，並且允許該第一腳位及該第二腳位與外部的一主機單元電性連接，以及允許該主機單元通過該第二腳位輸入一時脈頻率，當該時脈頻率大於一第一預設值時，將該第一腳位作為脈衝密度調變的訊號線、將該第二腳位作為外部時脈訊號線，以及根據該選擇腳位的電位選擇左右聲道，當該時脈頻率小於一第二預設值時，將該第一腳位作為積體匯流排電路的串列資料線、將該第二腳位作為積體匯流排電路的串列時脈線，以及根據該選擇腳位的電位選擇積體匯流排電路的裝置識別碼位址。
2. 如請求項1之具自適應近距收音的微機電麥克風系統，其中該調整模組更允許將產生的該第一控制訊號、該第二控制訊號及該聲音訊號通過該第一腳位傳送至該主機單元，由該主機單元根據該人聲及該噪聲設定相應的所述運作參數，並且通過該第一腳位傳送設定完成的所述運作參數以驅動該微機電麥克風。
3. 如請求項1之具自適應近距收音的微機電麥克風系統，其中該語音偵測模組包含相互電性連接的一比較器、一計數器、一微分器及一累加器，該比較器將該收音模組接收到該聲音訊號與該參考訊號進行比較並輸出一比較結果，以及由該計數器對該比較結果進行計數，再由該微分器對該計數器的輸出結果進行微分且取絕對值以產生該阿法值。
4. 如請求項1之具自適應近距收音的微機電麥克風系統，其中該第一控制訊號產生時，所述運作參數包含對該聲音訊號進行濾波、音量調整或其組合，當該第二控制訊號產生時，所述運作參數包含對該聲音訊號進行抗噪濾波處理、雜訊頻譜分析、參數調整或其組合。
5. 如請求項1之具自適應近距收音的微機電麥克風系統，其中該調整模組更包含根據所述運作參數在禁能或致能一類比數位轉換器、一電源開關及降低該聲音訊號的取樣速率中選擇至少其中之一。

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