采用MEMS麥克風(fēng)實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下對特定語音的提取與放大

4.1. 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)使用組合麥克風(fēng)得到語音信號^[9]。系統(tǒng)將使用6個背靠背的ADMP421并使用隔音效果比較好的墊片將它們隔離，這樣就可以構(gòu)成簡單的差動結(jié)構(gòu)，差動輸出的信號就可以簡單的消除來自不同方向的噪聲干擾。

4.2. 相位調(diào)制

由于聲音信號是有一個比較寬的頻率范圍，大致在300Hz-3400Hz^[10]，雖然ADMP421體積較小，但是它們收到的聲音信號相互之間還是存在著相位差的。例如，兩個麥克風(fēng)之間相距0.5cm，由于聲音的傳播速度是340m/s（室溫下），那么其傳播時間相差即為14.7微秒，其相對應(yīng)的頻率即為68K Hz。那么頻率為17K Hz的信號就會因為相差90°的相位，而不能由差分的信號消除。而在別的頻率的信號也會由于相位差的原因而出現(xiàn)不同的相減差別。在相位接近180°的情況下，甚至?xí)霈F(xiàn)噪聲增強的現(xiàn)象。

所以，在本系統(tǒng)中，首先要進行距離匹配，使各路信號基本實現(xiàn)相位之間的匹配。下面給出兩個具體的方案：①采用頻域的分析方法，將語音信號解析，然后根據(jù)麥克風(fēng)之間的距離計算相位差，之后補償。②在數(shù)據(jù)流中加入數(shù)字濾波器，使濾波器的相頻相應(yīng)恰恰可以補償相位差。前者較為精細，處理效果好，但是要耗費大量的系統(tǒng)資源；后者是較為通用的方案，雖然不能實現(xiàn)完全的匹配，但是效果還是可以接受的。

4.3用戶特色語音設(shè)定

由用戶預(yù)先在較為安靜的環(huán)境中進行麥克風(fēng)測試。用戶對著主麥克風(fēng)說話，然后由內(nèi)部的匹配算法，將各個方向的麥克風(fēng)的信號收集然后根據(jù)用戶的語音信息進行合理的配置，盡量增大各個麥克風(fēng)的該用戶的語音特征音量輸出。

之后，在噪聲環(huán)境中，用戶可以選擇相應(yīng)的配置，增大用戶的特征音量，減小環(huán)境噪聲。如果噪聲的頻率特性較用戶語音的差別較大，這種方法就比較有效。

4.4其他語音濾波算法的應(yīng)用

隨著DSP(數(shù)字信號處理)技術(shù)的發(fā)展和在各種應(yīng)用中的深入，數(shù)字信號處理算法的研究是當(dāng)前的一個熱點。其中自適應(yīng)濾波算法以其卓越的自學(xué)習(xí)和自跟蹤性能在以上的產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用，也是本文要研究的方向。自適應(yīng)濾波的基本理論通過幾十年的發(fā)展己日趨成熟，近十幾年來自適應(yīng)濾波器的研究主要針對算法與硬件實現(xiàn)。算法研究主要是對算法速度和精度的改進，其方法大都采用軟件C、MATLAB等仿真軟件對算法的建模和修正^[11]。

自適應(yīng)濾波算法有以下幾種常見的實現(xiàn)方式：RLS算法，SIGN一ERROE一LMS算法，LMS算法，NLMS算法。而本系統(tǒng)可以根據(jù)不同的噪聲背景選擇，不同的消噪模式。

5.設(shè)計流程

SOC設(shè)計一般采用經(jīng)典的自頂向下的設(shè)計流程。它開始于規(guī)范制定、功能劃分，結(jié)束于系統(tǒng)集成和驗證。主要包括以下步驟：① 為系統(tǒng)和子系統(tǒng)制定全面的設(shè)計規(guī)范。② 精簡設(shè)計中的結(jié)構(gòu)和算法。如果必要的話，包括軟件設(shè)計和軟硬件協(xié)同仿真。③ 把芯片功能劃分為定義好了的核。④ 設(shè)計或者選擇合適的核。⑤ 把核進行集成，進行功能驗證和時序驗證。⑥ 把子系統(tǒng)或系統(tǒng)提交給下一級更高層次的集成，如果是最頂層，則可以Tapeout（投片）⑦ 驗證設(shè)計的所有方面（功能、時序等等）。

圖 4 SOC設(shè)計流程

本系統(tǒng)做為SOPC設(shè)計方法的獨特之處在于：1.高級算法建模，可以利用matlab仿真之后，使用DSPbuilder將算法生成為VHDL的硬件描述語言代碼，直接在FPGA中生成電路，驗證算法。相對于仿真模擬，可靠性進一步增加。2.由于采用SOPC的設(shè)計方案，在整個系統(tǒng)設(shè)計完成后，可以利用FPGA直接做成板級產(chǎn)品，投入市場?，F(xiàn)在的低端FPGA的成本已經(jīng)下降很多，對于本應(yīng)用的規(guī)模電路設(shè)計，其完全可以滿足需求。待市場明細后，可快速生成SOC方案，進一步降低成本，降低投資風(fēng)險。