تصميم منتجات الاتصالات المحمولة القائمة على تقنية مصفوفة الميكروفونات المصغرة
تزداد قيود المساحة في هياكل المنتجات المحمولة، بينما تصبح مكبرات الصوت أصغر حجمًا والمتطلبات الصوتية أعلى. يظل تحقيق اتصال صوتي واضح في البيئات الصاخبة مع قمع الضوضاء المتنوعة وصدى الصوت (الخطي وغير الخطي أثناء المكالمات المرئية بدون استخدام اليدين) تحديًا يتطلب الحل.
شريحة FM2010 المقدمة من شركة ForteMedia الأمريكية تستند إلى تقنية مصفوفة الميكروفونات المصغرة (SAM) الحاصلة على براءة اختراع. تُعد هذه الشريحة أحادية منخفضة الطاقة ومنخفضة التكلفة، وتستخدم تقنية التصفية المكانية لالتقاط الإشارات الصوتية اتجاهيًا من مسافات بعيدة/قريبة، وقمع الضوضاء الصوتية، وإزالة الصدى الصوتي. ستقدم هذه المقالة نقاط التصميم الرئيسية لتقنية مصفوفة الميكروفونات المصغرة في منتجات الاتصالات المحمولة، والوظائف الرئيسية لشريحة FM2010، وتطبيقها النموذجي في هواتف GSM.
نقاط تصميم تقنية مصفوفة الميكروفونات المصغرة
يمكن لتقنية SAM استخدام ميكروفونين: Uni-MIC (الميكروفون الرئيسي) وOmni-MIC (الميكروفون المرجعي) لتشكيل مصفوفة ميكروفونات مصغرة. يتم ترتيبهما ظهرًا لظهر أو جنبًا إلى جنب. باستغلال الاختلاف في الخصائص الفيزيائية للميكروفونين، وبعد معالجتهما بواسطة شريحة FM2010، تتشكل حزمة استقبال صوتي مخروطية تعمل كمرشح مكاني لقمع الضوضاء غير المستقرة. تُحدد خصائص الميكروفونات وتصميم الهيكل وضبط معاملات FM2010 اتجاه وزاوية حزمة التقاط الصوت المخروطية وفعالية قمع الضوضاء غير المستقرة.
1 اختيار الميكروفون
يُوصى باستخدام ميكروفونات Uni وOmni مقاس 4 مم. يجب أن تكون حساسية Uni-MIC: -40dB ±3dB؛ مع هبوط في الطيف أقل من 8.5 ديسيبل عند 300 هرتز، وارتفاع أقل من 3.5 ديسيبل عند 3.4 كيلو هرتز؛ وأن يكون نمطه اتجاهيًا قلب الشكل، مع فرق حساسية أكبر من 4 ديسيبل بين 0° و90°، وأكبر من 10 ديسيبل بين 0° و180°. حساسية Omni-MIC: -40dB ±1.5dB؛ طيف مسطح بين 300 هرتز و3.4 كيلو هرتز. يُوصى باستخدام ميكروفون Uni من طراز B4015UL403 وميكروفون Omni من طراز B4015AL-398 من شركة Yilida (IEA) في وي فانغ، شاندونغ.
2 التصميم الهيكلي
تكمن القضية الرئيسية في الحفاظ على خصائص Uni-MIC وتوجيه حزمة التقاط الصوت المخروطية. إذا كانت هناك وظيفة مكالمة بدون استخدام اليدين، فيجب أيضًا مراعاة مشاكل تقليل اهتزاز السماعة والميكروفون وإحكامية الهواء للميكروفون. يحدد اتجاه حزمة التقاط الصوت المخروطية اتجاه قمع الضوضاء غير المستقرة، لذا يجب ضمان وقوع الإشارة المفيدة داخل الحزمة، وإلا سيتم قمعها كضوضاء. لذلك، يجب مراعاة اتجاه Uni-MIC بعناية عند تصميم شكل المنتج. يجب أن يضمن التصميم الهيكلي أن فرق الحساسية بين 0° و180° لـ Uni-MIC بعد تركيبه في غلاف الميكروفون والهيكل بأكمله يظل أكبر من 6 ديسيبل، مع ثبات الحساسية وخصائص التردد الأساسية. يقلل تخميد اهتزاز الميكروفون من الصدى غير الخطي، بينما تحسن إحكامية الهواء نسبة إشارة الصدى في النظام عن طريق تقليل الصدى الخطي.
3 الإشارة بعد معالجة FM2010
يوضح الشكل 4 مقارنة بين الإشارة التي تلتقطها مصفوفة الميكروفونات المصغرة والإشارة الناتجة بعد معالجة FM2010. يقع مصدر الصوت على بعد 0.3 متر من المصفوفة، بشدة صوت 83 ديسيبل (SPL). إشارات الاختبار هي: Uni-MIC عند 0° و180°، Omni-MIC عند 0° و180°، وإشارة خرج الخط (Lout) بعد معالجة الإشارة الملتقطة عند 0° و180° بواسطة FM2010. يبين الشكل 4 أن إشارة الخرج النهائية لإشارة بنفس الحجم داخل حزمة التقاط الصوت (0°) وخارجها (180°) يمكن أن تختلف بمقدار 20 ديسيبل. أي أن الضوضاء غير المستقرة خارج حزمة التقاط الصوت سيتم قمعها بمقدار 20 ديسيبل مقارنة بالإشارة المفيدة. المدى الفعال للحزمة المخروطية هو 2 متر. تعتمد زاوية الحزمة المخروطية لـ SAM على خصائص اتجاهية Uni-MIC وضبط معاملات FM2010.
تُضخم الإشارات الملتقطة بواسطة Uni-MIC وOmni-MIC عبر مكبرات كسب قابلة للبرمجة، ثم تتحول إلى إشارات رقمية وتُرشح بمرشح عالي التمرير قبل إرسالها إلى معالج الصوت (لإزالة الصدى الخطي، إزالة الصدى غير الخطي، كشف VAD، معالجة قمع الضوضاء، ضبط مستوى ميكروفون). تُحوَّل بيانات الصوت الناتجة رقميًا إلى تناظرية، ثم تُخرج إشارة الميكروفون بشكل أحادي من منفذ خرج الخط (Line Out) إلى مدخلات معالج النطاق الأساسي التناظري TWL3014/16 (MICIP/MIC1N). بعد المعالجة في مسار التحميل (Uplink)، تُرسل إلى معالج النطاق الأساسي الرقمي OMAP733/750. تستقبل هواتف GSM الإشارة، وبعد إزالة التضمين وفك تشفير القناة ومعالجتها سريًا بواسطة OMAP733/750، تُرسل إشارة الصوت الرقمية إلى TWL3014/16. بعد المعالجة في مسار التنزيل (Downlink)، تُخرج من المستقبِل (HSO) وسماعة الأذن (EARP/EARN) – مسار إلى المستقبِل، وآخر إلى مضخم طاقة خارجي لتشغيل سماعة التحدث الحر، مع إرسال الإشارتين معًا إلى مدخلات خط FM2010. تتحول الإشارات إلى بيانات صوتية عبر التحويل الرقمي والترشيح العالي التمرير، وتُرسل إلى معالج الصوت كإشارات مرجعية للصدى.
تسلسل تحكم OMAP733/750 في FM2010: يتم التحكم عبر واجهة SHI، ودبابيس التحكم PWD، RESET، ANA_IRQ. بعد تشغيل الجهاز بالكامل، اضبط PWD على High وANA_IRQ على Low. بعد إعادة التعيين، أرسل معاملات إلى FM2010 (مصدر الساعة، تردد الساعة، سرعة عمل DSP)، ثم أدخل الشريحة إلى وضع توفير الطاقة. كما في الشكل 8، يستند وضع المكالمة (يدوي/بدون يدين/تسجيل) إلى استدعاء أو إجراء تسجيل. يتم تنبيه FM2010، وبعد إعادة التعيين، تُرسل معاملات الوضع المناسبة بناءً على الوضع المحدد. لوضع إلغاء ضوضاء اليد، يلزم إرسال: عدد الميكروفونات، كسب الميكروفون، مستوى صوت الميكروفون، معلمات إزالة الصدى، ومعلمات VAD. لوضع المؤتمرات بدون استخدام اليدين، يلزم إرسال: عدد الميكروفونات، كسب الميكروفون، مستوى صوت الميكروفون، انعكاس الميكروفون، ومعلمات إزالة الصدى (تشمل خاصة عند تحدث الطرف الآخر بصوت منخفض/طبيعي/مرتفع). يشبه ضبط الوضع الشخصي الخاص بدون استخدام اليدين وضع إلغاء ضوضاء اليد، لكنه يتطلب المزيد من ضبط معلمات إزالة الصدى. بعد انتهاء المكالمة، أوقف CODEC الخاص بـ FM2010، وضعه في وضع توفير الطاقة. كما في الشكل 9، يُستخدم وضع اختبار الصوت لهواتف GSM لأغراض الاختبار. في هذا الوضع، يعمل FM2010 في الوضع المباشر (Bypass)، حيث لا يقوم DSP الداخلي بأي معالجة لإشارات دخل الميكروفون. تمر إشارة Uni-MIC عبر مضخمات الكسب القابل للبرمجة وتُخرج مباشرة من مضخم LOUT. يمكن ضبط كسب مضخم الميكروفون ومضخم LOUT عبر واجهة SHI أثناء التشغيل.
شريحة FM2010 المقدمة من شركة ForteMedia الأمريكية تستند إلى تقنية مصفوفة الميكروفونات المصغرة (SAM) الحاصلة على براءة اختراع. تُعد هذه الشريحة أحادية منخفضة الطاقة ومنخفضة التكلفة، وتستخدم تقنية التصفية المكانية لالتقاط الإشارات الصوتية اتجاهيًا من مسافات بعيدة/قريبة، وقمع الضوضاء الصوتية، وإزالة الصدى الصوتي. ستقدم هذه المقالة نقاط التصميم الرئيسية لتقنية مصفوفة الميكروفونات المصغرة في منتجات الاتصالات المحمولة، والوظائف الرئيسية لشريحة FM2010، وتطبيقها النموذجي في هواتف GSM.
نقاط تصميم تقنية مصفوفة الميكروفونات المصغرة
يمكن لتقنية SAM استخدام ميكروفونين: Uni-MIC (الميكروفون الرئيسي) وOmni-MIC (الميكروفون المرجعي) لتشكيل مصفوفة ميكروفونات مصغرة. يتم ترتيبهما ظهرًا لظهر أو جنبًا إلى جنب. باستغلال الاختلاف في الخصائص الفيزيائية للميكروفونين، وبعد معالجتهما بواسطة شريحة FM2010، تتشكل حزمة استقبال صوتي مخروطية تعمل كمرشح مكاني لقمع الضوضاء غير المستقرة. تُحدد خصائص الميكروفونات وتصميم الهيكل وضبط معاملات FM2010 اتجاه وزاوية حزمة التقاط الصوت المخروطية وفعالية قمع الضوضاء غير المستقرة.
1 اختيار الميكروفون
يُوصى باستخدام ميكروفونات Uni وOmni مقاس 4 مم. يجب أن تكون حساسية Uni-MIC: -40dB ±3dB؛ مع هبوط في الطيف أقل من 8.5 ديسيبل عند 300 هرتز، وارتفاع أقل من 3.5 ديسيبل عند 3.4 كيلو هرتز؛ وأن يكون نمطه اتجاهيًا قلب الشكل، مع فرق حساسية أكبر من 4 ديسيبل بين 0° و90°، وأكبر من 10 ديسيبل بين 0° و180°. حساسية Omni-MIC: -40dB ±1.5dB؛ طيف مسطح بين 300 هرتز و3.4 كيلو هرتز. يُوصى باستخدام ميكروفون Uni من طراز B4015UL403 وميكروفون Omni من طراز B4015AL-398 من شركة Yilida (IEA) في وي فانغ، شاندونغ.
2 التصميم الهيكلي
تكمن القضية الرئيسية في الحفاظ على خصائص Uni-MIC وتوجيه حزمة التقاط الصوت المخروطية. إذا كانت هناك وظيفة مكالمة بدون استخدام اليدين، فيجب أيضًا مراعاة مشاكل تقليل اهتزاز السماعة والميكروفون وإحكامية الهواء للميكروفون. يحدد اتجاه حزمة التقاط الصوت المخروطية اتجاه قمع الضوضاء غير المستقرة، لذا يجب ضمان وقوع الإشارة المفيدة داخل الحزمة، وإلا سيتم قمعها كضوضاء. لذلك، يجب مراعاة اتجاه Uni-MIC بعناية عند تصميم شكل المنتج. يجب أن يضمن التصميم الهيكلي أن فرق الحساسية بين 0° و180° لـ Uni-MIC بعد تركيبه في غلاف الميكروفون والهيكل بأكمله يظل أكبر من 6 ديسيبل، مع ثبات الحساسية وخصائص التردد الأساسية. يقلل تخميد اهتزاز الميكروفون من الصدى غير الخطي، بينما تحسن إحكامية الهواء نسبة إشارة الصدى في النظام عن طريق تقليل الصدى الخطي.
3 الإشارة بعد معالجة FM2010
يوضح الشكل 4 مقارنة بين الإشارة التي تلتقطها مصفوفة الميكروفونات المصغرة والإشارة الناتجة بعد معالجة FM2010. يقع مصدر الصوت على بعد 0.3 متر من المصفوفة، بشدة صوت 83 ديسيبل (SPL). إشارات الاختبار هي: Uni-MIC عند 0° و180°، Omni-MIC عند 0° و180°، وإشارة خرج الخط (Lout) بعد معالجة الإشارة الملتقطة عند 0° و180° بواسطة FM2010. يبين الشكل 4 أن إشارة الخرج النهائية لإشارة بنفس الحجم داخل حزمة التقاط الصوت (0°) وخارجها (180°) يمكن أن تختلف بمقدار 20 ديسيبل. أي أن الضوضاء غير المستقرة خارج حزمة التقاط الصوت سيتم قمعها بمقدار 20 ديسيبل مقارنة بالإشارة المفيدة. المدى الفعال للحزمة المخروطية هو 2 متر. تعتمد زاوية الحزمة المخروطية لـ SAM على خصائص اتجاهية Uni-MIC وضبط معاملات FM2010.
تُضخم الإشارات الملتقطة بواسطة Uni-MIC وOmni-MIC عبر مكبرات كسب قابلة للبرمجة، ثم تتحول إلى إشارات رقمية وتُرشح بمرشح عالي التمرير قبل إرسالها إلى معالج الصوت (لإزالة الصدى الخطي، إزالة الصدى غير الخطي، كشف VAD، معالجة قمع الضوضاء، ضبط مستوى ميكروفون). تُحوَّل بيانات الصوت الناتجة رقميًا إلى تناظرية، ثم تُخرج إشارة الميكروفون بشكل أحادي من منفذ خرج الخط (Line Out) إلى مدخلات معالج النطاق الأساسي التناظري TWL3014/16 (MICIP/MIC1N). بعد المعالجة في مسار التحميل (Uplink)، تُرسل إلى معالج النطاق الأساسي الرقمي OMAP733/750. تستقبل هواتف GSM الإشارة، وبعد إزالة التضمين وفك تشفير القناة ومعالجتها سريًا بواسطة OMAP733/750، تُرسل إشارة الصوت الرقمية إلى TWL3014/16. بعد المعالجة في مسار التنزيل (Downlink)، تُخرج من المستقبِل (HSO) وسماعة الأذن (EARP/EARN) – مسار إلى المستقبِل، وآخر إلى مضخم طاقة خارجي لتشغيل سماعة التحدث الحر، مع إرسال الإشارتين معًا إلى مدخلات خط FM2010. تتحول الإشارات إلى بيانات صوتية عبر التحويل الرقمي والترشيح العالي التمرير، وتُرسل إلى معالج الصوت كإشارات مرجعية للصدى.
تسلسل تحكم OMAP733/750 في FM2010: يتم التحكم عبر واجهة SHI، ودبابيس التحكم PWD، RESET، ANA_IRQ. بعد تشغيل الجهاز بالكامل، اضبط PWD على High وANA_IRQ على Low. بعد إعادة التعيين، أرسل معاملات إلى FM2010 (مصدر الساعة، تردد الساعة، سرعة عمل DSP)، ثم أدخل الشريحة إلى وضع توفير الطاقة. كما في الشكل 8، يستند وضع المكالمة (يدوي/بدون يدين/تسجيل) إلى استدعاء أو إجراء تسجيل. يتم تنبيه FM2010، وبعد إعادة التعيين، تُرسل معاملات الوضع المناسبة بناءً على الوضع المحدد. لوضع إلغاء ضوضاء اليد، يلزم إرسال: عدد الميكروفونات، كسب الميكروفون، مستوى صوت الميكروفون، معلمات إزالة الصدى، ومعلمات VAD. لوضع المؤتمرات بدون استخدام اليدين، يلزم إرسال: عدد الميكروفونات، كسب الميكروفون، مستوى صوت الميكروفون، انعكاس الميكروفون، ومعلمات إزالة الصدى (تشمل خاصة عند تحدث الطرف الآخر بصوت منخفض/طبيعي/مرتفع). يشبه ضبط الوضع الشخصي الخاص بدون استخدام اليدين وضع إلغاء ضوضاء اليد، لكنه يتطلب المزيد من ضبط معلمات إزالة الصدى. بعد انتهاء المكالمة، أوقف CODEC الخاص بـ FM2010، وضعه في وضع توفير الطاقة. كما في الشكل 9، يُستخدم وضع اختبار الصوت لهواتف GSM لأغراض الاختبار. في هذا الوضع، يعمل FM2010 في الوضع المباشر (Bypass)، حيث لا يقوم DSP الداخلي بأي معالجة لإشارات دخل الميكروفون. تمر إشارة Uni-MIC عبر مضخمات الكسب القابل للبرمجة وتُخرج مباشرة من مضخم LOUT. يمكن ضبط كسب مضخم الميكروفون ومضخم LOUT عبر واجهة SHI أثناء التشغيل.