基于迷你阵列麦克风技术的手持通信产品设计

手持产品结构的空间限制越来越多，扬声器越来越小，要求的声音越来越大，抑制各种各样的噪声和回声（视频免提通话时的线性、非线性回声），在噪声环境下实现清晰的语音通信，是一个面临解决的问题。

美国富迪科技（ForteMedia）公司推出的FM2010芯片是基于迷你阵列麦克风（SAM）专利技术的，采用空间滤波技术、远/近距离定向拾取声音信号、抑制声学噪声、消除声学回声的低功耗低成本的单芯片。本文将介绍迷你阵列麦克风技术在手持通信产品中的设计要点、FM2010芯片主要功能，及其在GSM手机中的典型应用。图1是手持模式的抗噪声示意图；图2是免提模式的抗噪声示意图。

图1 SAM手持模式的抗噪声示意图

图2 SAM免提模式的抗噪声示意图

迷你阵列麦克风技术设计要点

SAM技术可以采用Uni-MIC（主麦克风）和Omni-MIC（参考麦克风）两个麦克风组成迷你阵列麦克风，采用背对背摆放或者边对边摆放，如图3所示。利用两种麦克风物理特性的差异，通过FM2010芯片处理以后，形成锥形的拾音束，形成空间的滤波器，用以抑制非稳态噪声。麦克风的特性、结构设计和FM2010的参数调整决定了锥形拾音束的方向、角度和抑制非稳态噪声的效果。

图3 麦克风的摆放

1 麦克风的选择

建议使用4mm的Uni、Omni麦克风。Uni-MIC的灵敏度为-40dB     ±3dB；频谱在300Hz跌落小于8.5dB，3.4kHz提升小于3.5dB；指向性为心形，方向性0°和90°灵敏度差别大于4dB，0°和180°灵敏度差别大于10dB。Omni-MIC的灵敏度为-40dB±1.5dB；频谱在300Hz～3.4kHz平坦。推荐使用山东潍坊怡力达（IEA）的Uni麦克风B4015UL403和Omni麦克风B4015AL-398。

2 结构设计

结构设计的关键问题在于Uni麦克风的特性保持、锥形拾音束的方向，如果有免提通话功能，还需要更多考虑喇叭、麦克风减振和麦克风气密性问题。锥形的拾音束的方向决定了抑制非稳态噪声的方向，所以应该保证有用信号在拾音束内，否则会被当作噪声而被抑制。因此在产品外形设计时，应该充分考虑Uni麦克风的方向。结构设计应该保证Uni麦克风在装入麦克风套筒和整个机壳以后，0°和180°灵敏度差别大于6dB，灵敏度和频率特性基本不变。麦克风减振可以减小非线性回声，气密性可以减小线性回声，提高系统的信号回声比。

3 经过FM2010处理后的信号

迷你阵列麦克风拾取的信号和经过FM2010处理以后输出的信号比较如图4所示。声源距离迷你阵列麦克风0.3m，声强为83dB（SPL）。测试信号分别为Uni麦克风0°和180°、Omni麦克风0°和180°、线路输出（Lout）迷你阵列麦克风0°和180°拾取的信号经过FM2010处理以后输出的信号。从图4中可以看出，同样大小的信号，在拾音束内（0°）和拾音束外（180°）最终输出的信号可以相差20dB。也就是说，只要非稳态噪声在拾音束外，相对于有用信号，将被抑制20dB。锥形的拾音束有效作用范围为2m。SAM锥形的拾音束的角度取决于Uni麦克风的指向特性和FM2010的参数调整，图5为实际测试SAM的锥形的拾音束方向图。

图4 SAM的锥形拾音束抑制噪声效果

图5 SAM的锥形拾音束方向图声效果

FM2010在GSM手机中的应用

FM2010采用低功耗小尺寸设计，功耗不到25mW，片内集成DSP、CODEC、ROM和RAM，适合移动手持设备应用。

以TI的手机平台为例，如图6所示，FM2010和模拟基带处理器主要接口有4个：RECEIVER回声消除的参考信号（HS REF）、免提喇叭回声消除的参考信号（HF REF）、阵列麦克风电源及控制（MIC PWR）、阵列麦克风信号经FM2010处理后的输出信号（LOUT）。FM2010和数字基带处理器主要接口有6个：时钟信号（13MHz）、SHI接口选择控制（SHI_S）、SHI接口（SHI）、直通模式选择控制（IRQ_ANA）、复位控制（RESET）和省电控制（PWD）。

图6 FM2010在TI手机平台的应用框图

Uni麦克风和Omni麦克风拾取的信号经可编程增益放大器放大、模数转换和高通滤波后送语音处理器处理（线性回声消除、非线性回声消除、VAD检测、噪声抑制处理麦克风音量设定），输出的语音数据经数模转换后将麦克风信号从线路输出端单端输出送到TWL3014/16模拟基带处理器麦克风输入端（MICIP/MIC1N），经过上行链路处理送数字基带处理器OMAP733/750处理。GSM手机接收到信号经解调以后，经过信号数字基带处理器OMAP733/750信道解码，机密处理以后得到数字音频信号送TWL3014/16模拟基带处理器，经过下行链路处理从受话器（HSO）和耳机（EARP/EARN）输出，一路送受话器，一路送外部功放放大，驱动免提喇叭，同时两路信号分别送FM2010的线路输入端输入，模数转换和高通滤波转换成语音数据，送语音处理器处理作为回声参考信号。典型应用如图7所示。

图7 FM2010典型应用原理图

FM2010在GSM手机中的工作模式可以根据需要来设置，主要有测试模式、手持消噪模式、免提会议模式、免提个人专用模式。测试模式主要用于手机音频测试（Acoustics），此时设置FM2010进入到直通模式（IRQ_ANA），FM2010只将Uni麦克风信号放大，不做其他任何处理，从线路输出引脚输出；手持消噪模式FM2010工作在Uni和Omni麦克风两个麦克风SAM模式，用来消除通话环境下的稳态和非稳态噪声；免提会议模式用在小型多人会议模式，此时FM2010工作在麦克风反转模式，FM2010放大处理Omni麦克风的信号，消除通话环境下的稳态回声，从线路输出引脚输出，麦克风可以拾取全方向的信号；免提个人用模式可以针对一个人使用的会议场合或视频通话。

OMAP733/750对FM2010的控制流程：通过SHI接口、PWD、RESET、ANA_IRQ控制引脚实现对FM2010的操作。整机上电以后，首先将PWD置高，ANA_IRQ置低，复位以后，送参数给FM2010，主要是时钟源、时钟频率、DSP工作速率，然后将芯片进入到省电模式。如图8所示，通话模式是根据是否有电话打入、打出或是录音操作，唤醒FM2010，复位后根据手持/免提模式，送FM2010相应模式参数。对于手持消噪模式，需要送麦克风数量、麦克风增益、麦克风音量、消回声参数和VAD参数。对于免提会议模式、需要送麦克风数量、麦克风增益、麦克风音量、麦克风反转、消回声参数（主要包含对方小声讲话、正常讲话、大声讲话时）。免提个人专用模式调试方法基本同手持消噪模式，回声消除参数需要更多调整。通话结束后，关闭FM2010的CODEC，将 FM2010设置到省电模式。如图9所示，GSM手机音频测试模式主要用于手机测试目的。进入测试模式以后，FM2010工作在直通模式，此时内部DSP对麦克风输入信号不进行任何处理，Uni麦克风输入信号经过可编程增益放大器放大后，直接从LOUT放大器输出，可以通过SHI接口在线麦克风放大器和LOUT放大器增益参数。

图8 通话模式控制流程

图9 测试模式控制流程

FM2010 SHI接口控制时序：SHI接口工作在从模式，由外部提供时钟信号，最大时钟频率400kHz，在对FM2010进行模式和参数设置时，首先是发一个传送开始状态，接着送1字节SHI设备地址 C0，2字节同步字 FCF3，然后是控制命令字 3B，2字节参数地址，2字节参数数据, 重复然后是控制命令字 3B，2字节参数地址，2字节参数数据，最后启动命令控制命令字 3B，2字节参数地址1E 3A，2字节参数数据00 00结束，让FM2010正常运行。