Conception de produits de communication portables basée sur la technologie de microphone mini-réseau
Les contraintes spatiales dans la structure des produits portables sont de plus en plus importantes. Les haut-parleurs deviennent plus petits tandis que le niveau sonore exigé augmente. Supprimer les divers bruits et échos (échos linéaires et non linéaires lors d'appels mains libres vidéo) pour obtenir une communication vocale claire dans des environnements bruyants est un problème à résoudre.
La puce FM2010 de la société américaine ForteMedia est basée sur la technologie brevetée de microphone mini-réseau (SAM). Il s'agit d'une puce unique à faible consommation et faible coût, utilisant la technologie de filtrage spatial, captant les signaux sonores de manière directionnelle à distance proche/lointaine, supprimant le bruit acoustique et éliminant l'écho acoustique. Cet article présentera les points clés de conception de la technologie de microphone mini-réseau dans les produits de communication portables, les principales fonctionnalités de la puce FM2010 et ses applications typiques dans les téléphones GSM.
Points clés de conception de la technologie de microphone mini-réseau
La technologie SAM peut utiliser deux microphones, un Uni-MIC (microphone principal) et un Omni-MIC (microphone de référence), pour former un mini-réseau de microphones. Ils sont placés dos à dos ou côte à côte. En exploitant les différences de caractéristiques physiques des deux microphones et après traitement par la puce FM2010, un faisceau de captation conique est formé, créant un filtre spatial pour supprimer le bruit non stationnaire. Les caractéristiques des microphones, la conception structurelle et le réglage des paramètres de la FM2010 déterminent la direction, l'angle du faisceau conique et l'efficacité de la suppression du bruit non stationnaire.
1 Choix des microphones
Il est recommandé d'utiliser des microphones Uni et Omni de 4mm. Sensibilité du Uni-MIC : -40dB ±3dB ; réponse en fréquence : atténuation inférieure à 8.5dB à 300Hz, accentuation inférieure à 3.5dB à 3.4kHz ; directivité cardioïde, différence de sensibilité >4dB entre 0° et 90°, >10dB entre 0° et 180°. Sensibilité du Omni-MIC : -40dB ±1.5dB ; réponse en fréquence plate entre 300Hz et 3.4kHz. Microphones recommandés : Uni-MIC B4015UL403 et Omni-MIC B4015AL-398 de IEA (Yilida), Weifang, Shandong.
2 Conception structurelle
Les problèmes clés de la conception structurelle résident dans le maintien des caractéristiques du Uni-MIC et la direction du faisceau de captation conique. Si une fonction mains libres est présente, il faut également considérer les problèmes de vibration du haut-parleur, d'étanchéité acoustique et anti-vibration du microphone. La direction du faisceau conique détermine la direction de suppression du bruit non stationnaire. Il faut donc s'assurer que le signal utile se trouve dans le faisceau, sinon il sera supprimé comme bruit. Ainsi, lors de la conception de la forme du produit, la direction du Uni-MIC doit être pleinement prise en compte. La conception structurelle doit garantir qu'après montage dans le manchon du microphone et le boîtier complet, la différence de sensibilité entre 0° et 180° reste >6dB, avec des caractéristiques de sensibilité et de fréquence globalement inchangées. L'anti-vibration du microphone peut réduire l'écho non linéaire, l'étanchéité acoustique peut réduire l'écho linéaire, améliorant ainsi le rapport signal/écho du système.
3 Signal après traitement par la FM2010
Une comparaison entre le signal capté par le microphone mini-réseau et le signal de sortie après traitement par la FM2010 est illustrée à la Figure 4. La source sonore est à 0.3m du microphone mini-réseau, avec une intensité de 83 dB (SPL). Les signaux de test sont respectivement : Uni-MIC à 0° et 180°, Omni-MIC à 0° et 180°, et le signal de sortie de ligne (Lout) après traitement FM2010 du signal capté par le microphone mini-réseau à 0° et 180°. On peut voir sur la Figure 4 que pour un signal de même amplitude, la différence entre le signal final de sortie dans le faisceau (0°) et en dehors du faisceau (180°) peut atteindre 20 dB. Autrement dit, tant que le bruit non stationnaire est en dehors du faisceau, il sera atténué de 20 dB par rapport au signal utile. La portée effective du faisceau conique SAM est de 2m. L'angle du faisceau conique dépend des caractéristiques directionnelles du Uni-MIC et du réglage des paramètres de la FM2010.
Les signaux captés par le Uni-MIC et l'Omni-MIC sont amplifiés par un amplificateur à gain programmable (PGA), convertis numériquement (ADC) et filtrés passe-haut, puis envoyés au processeur vocal (élimination d'écho linéaire, élimination d'écho non linéaire, détection VAD, suppression du bruit, réglage du volume du micro). Les données vocales de sortie sont converties en analogique (DAC) et le signal du microphone est envoyé en sortie asymétrique via la sortie ligne vers les entrées microphone (MICIP/MIC1N) du processeur de bande de base analogique TWL3014/16. Après traitement dans la chaîne montante, il est envoyé au processeur de bande de base numérique OMAP733/750. Le signal reçu par le téléphone GSM est démodulé, décodé en canal par le processeur de bande de base numérique OMAP733/750, puis traité confidentiellement pour obtenir un signal audio numérique. Celui-ci est envoyé au processeur de bande de base analogique TWL3014/16. Après traitement dans la chaîne descendante, il est sorti via l'écouteur (HSO) et le casque (EARP/EARN) : une voie vers l'écouteur, l'autre vers un amplificateur externe pour piloter le haut-parleur mains libres. Simultanément, les deux signaux sont envoyés vers les entrées ligne de la FM2010, convertis numériquement (ADC) et filtrés passe-haut en données vocales, puis traités par le processeur vocal comme signaux de référence d'écho.
Flux de contrôle de l'OMAP733/750 sur la FM2010 : L'opération de la FM2010 est réalisée via l'interface SHI et les broches de contrôle PWD, RESET, ANA_IRQ. Après la mise sous tension de l'appareil : d'abord, mettre PWD à haut niveau, ANA_IRQ à bas niveau ; après réinitialisation (RESET), envoyer les paramètres à la FM2010 (source d'horloge, fréquence d'horloge, vitesse de fonctionnement du DSP principalement), puis mettre la puce en mode économie d'énergie. Comme le montre la Figure 8, le mode d'appel (déterminé par la présence d'un appel entrant/sortant ou d'une opération d'enregistrement) réveille la FM2010. Après réinitialisation, selon le mode main-libre/mains libres, les paramètres de mode correspondants sont envoyés à la FM2010. Pour le mode suppression de bruit en main-libre : nombre de micros, gain des micros, volume des micros, paramètres de suppression d'écho et paramètres VAD. Pour le mode conférence mains libres : nombre de micros, gain des micros, volume des micros, inversion des micros, paramètres de suppression d'écho (incluant principalement les paramètres pour voix basse, normale et forte de l'interlocuteur). La méthode de réglage pour le mode mains libres personnel est similaire au mode suppression de bruit en main-libre, mais les paramètres de suppression d'écho nécessitent plus d'ajustements. Après la fin de l'appel, le CODEC de la FM2010 est désactivé et la FM2010 est mise en mode économie d'énergie. Comme le montre la Figure 9, le mode test audio du téléphone GSM est principalement utilisé à des fins de test du téléphone. En mode test, la FM2010 fonctionne en mode direct (bypass). Le DSP interne n'effectue aucun traitement sur le signal d'entrée du microphone. Le signal d'entrée du Uni-MIC est amplifié par le PGA et sorti directement par l'amplificateur LOUT. Le gain de l'amplificateur de microphone et de l'amplificateur LOUT peut être ajusté en ligne via l'interface SHI.
La puce FM2010 de la société américaine ForteMedia est basée sur la technologie brevetée de microphone mini-réseau (SAM). Il s'agit d'une puce unique à faible consommation et faible coût, utilisant la technologie de filtrage spatial, captant les signaux sonores de manière directionnelle à distance proche/lointaine, supprimant le bruit acoustique et éliminant l'écho acoustique. Cet article présentera les points clés de conception de la technologie de microphone mini-réseau dans les produits de communication portables, les principales fonctionnalités de la puce FM2010 et ses applications typiques dans les téléphones GSM.
Points clés de conception de la technologie de microphone mini-réseau
La technologie SAM peut utiliser deux microphones, un Uni-MIC (microphone principal) et un Omni-MIC (microphone de référence), pour former un mini-réseau de microphones. Ils sont placés dos à dos ou côte à côte. En exploitant les différences de caractéristiques physiques des deux microphones et après traitement par la puce FM2010, un faisceau de captation conique est formé, créant un filtre spatial pour supprimer le bruit non stationnaire. Les caractéristiques des microphones, la conception structurelle et le réglage des paramètres de la FM2010 déterminent la direction, l'angle du faisceau conique et l'efficacité de la suppression du bruit non stationnaire.
1 Choix des microphones
Il est recommandé d'utiliser des microphones Uni et Omni de 4mm. Sensibilité du Uni-MIC : -40dB ±3dB ; réponse en fréquence : atténuation inférieure à 8.5dB à 300Hz, accentuation inférieure à 3.5dB à 3.4kHz ; directivité cardioïde, différence de sensibilité >4dB entre 0° et 90°, >10dB entre 0° et 180°. Sensibilité du Omni-MIC : -40dB ±1.5dB ; réponse en fréquence plate entre 300Hz et 3.4kHz. Microphones recommandés : Uni-MIC B4015UL403 et Omni-MIC B4015AL-398 de IEA (Yilida), Weifang, Shandong.
2 Conception structurelle
Les problèmes clés de la conception structurelle résident dans le maintien des caractéristiques du Uni-MIC et la direction du faisceau de captation conique. Si une fonction mains libres est présente, il faut également considérer les problèmes de vibration du haut-parleur, d'étanchéité acoustique et anti-vibration du microphone. La direction du faisceau conique détermine la direction de suppression du bruit non stationnaire. Il faut donc s'assurer que le signal utile se trouve dans le faisceau, sinon il sera supprimé comme bruit. Ainsi, lors de la conception de la forme du produit, la direction du Uni-MIC doit être pleinement prise en compte. La conception structurelle doit garantir qu'après montage dans le manchon du microphone et le boîtier complet, la différence de sensibilité entre 0° et 180° reste >6dB, avec des caractéristiques de sensibilité et de fréquence globalement inchangées. L'anti-vibration du microphone peut réduire l'écho non linéaire, l'étanchéité acoustique peut réduire l'écho linéaire, améliorant ainsi le rapport signal/écho du système.
3 Signal après traitement par la FM2010
Une comparaison entre le signal capté par le microphone mini-réseau et le signal de sortie après traitement par la FM2010 est illustrée à la Figure 4. La source sonore est à 0.3m du microphone mini-réseau, avec une intensité de 83 dB (SPL). Les signaux de test sont respectivement : Uni-MIC à 0° et 180°, Omni-MIC à 0° et 180°, et le signal de sortie de ligne (Lout) après traitement FM2010 du signal capté par le microphone mini-réseau à 0° et 180°. On peut voir sur la Figure 4 que pour un signal de même amplitude, la différence entre le signal final de sortie dans le faisceau (0°) et en dehors du faisceau (180°) peut atteindre 20 dB. Autrement dit, tant que le bruit non stationnaire est en dehors du faisceau, il sera atténué de 20 dB par rapport au signal utile. La portée effective du faisceau conique SAM est de 2m. L'angle du faisceau conique dépend des caractéristiques directionnelles du Uni-MIC et du réglage des paramètres de la FM2010.
Les signaux captés par le Uni-MIC et l'Omni-MIC sont amplifiés par un amplificateur à gain programmable (PGA), convertis numériquement (ADC) et filtrés passe-haut, puis envoyés au processeur vocal (élimination d'écho linéaire, élimination d'écho non linéaire, détection VAD, suppression du bruit, réglage du volume du micro). Les données vocales de sortie sont converties en analogique (DAC) et le signal du microphone est envoyé en sortie asymétrique via la sortie ligne vers les entrées microphone (MICIP/MIC1N) du processeur de bande de base analogique TWL3014/16. Après traitement dans la chaîne montante, il est envoyé au processeur de bande de base numérique OMAP733/750. Le signal reçu par le téléphone GSM est démodulé, décodé en canal par le processeur de bande de base numérique OMAP733/750, puis traité confidentiellement pour obtenir un signal audio numérique. Celui-ci est envoyé au processeur de bande de base analogique TWL3014/16. Après traitement dans la chaîne descendante, il est sorti via l'écouteur (HSO) et le casque (EARP/EARN) : une voie vers l'écouteur, l'autre vers un amplificateur externe pour piloter le haut-parleur mains libres. Simultanément, les deux signaux sont envoyés vers les entrées ligne de la FM2010, convertis numériquement (ADC) et filtrés passe-haut en données vocales, puis traités par le processeur vocal comme signaux de référence d'écho.
Flux de contrôle de l'OMAP733/750 sur la FM2010 : L'opération de la FM2010 est réalisée via l'interface SHI et les broches de contrôle PWD, RESET, ANA_IRQ. Après la mise sous tension de l'appareil : d'abord, mettre PWD à haut niveau, ANA_IRQ à bas niveau ; après réinitialisation (RESET), envoyer les paramètres à la FM2010 (source d'horloge, fréquence d'horloge, vitesse de fonctionnement du DSP principalement), puis mettre la puce en mode économie d'énergie. Comme le montre la Figure 8, le mode d'appel (déterminé par la présence d'un appel entrant/sortant ou d'une opération d'enregistrement) réveille la FM2010. Après réinitialisation, selon le mode main-libre/mains libres, les paramètres de mode correspondants sont envoyés à la FM2010. Pour le mode suppression de bruit en main-libre : nombre de micros, gain des micros, volume des micros, paramètres de suppression d'écho et paramètres VAD. Pour le mode conférence mains libres : nombre de micros, gain des micros, volume des micros, inversion des micros, paramètres de suppression d'écho (incluant principalement les paramètres pour voix basse, normale et forte de l'interlocuteur). La méthode de réglage pour le mode mains libres personnel est similaire au mode suppression de bruit en main-libre, mais les paramètres de suppression d'écho nécessitent plus d'ajustements. Après la fin de l'appel, le CODEC de la FM2010 est désactivé et la FM2010 est mise en mode économie d'énergie. Comme le montre la Figure 9, le mode test audio du téléphone GSM est principalement utilisé à des fins de test du téléphone. En mode test, la FM2010 fonctionne en mode direct (bypass). Le DSP interne n'effectue aucun traitement sur le signal d'entrée du microphone. Le signal d'entrée du Uni-MIC est amplifié par le PGA et sorti directement par l'amplificateur LOUT. Le gain de l'amplificateur de microphone et de l'amplificateur LOUT peut être ajusté en ligne via l'interface SHI.