मिनी ऐरे माइक्रोफोन प्रौद्योगिकी पर आधारित हैंडहेल्ड कम्युनिकेशन उत्पाद डिजाइन
हैंडहेल्ड उत्पादों की संरचना में स्थानिक सीमाएं बढ़ रही हैं, स्पीकर छोटे होते जा रहे हैं, ध्वनि आवश्यकताएं तेज हो रही हैं, और विभिन्न प्रकार के शोर और प्रतिध्वनि (वीडियो हैंड्स-फ्री कॉल के दौरान रैखिक और गैर-रैखिक प्रतिध्वनि) को दबाना, शोर वातावरण में स्पष्ट वॉयस संचार प्राप्त करना एक समस्या है जिसका सामना किया जा रहा है।
अमेरिकी कंपनी फोर्टीमीडिया (ForteMedia) द्वारा पेश किया गया FM2010 चिप मिनी ऐरे माइक्रोफोन (SAM) पेटेंट प्रौद्योगिकी पर आधारित है। यह स्थानिक फ़िल्टरिंग तकनीक का उपयोग करता है, दूर/पास की दिशात्मक ध्वनि संकेतों को पकड़ता है, ध्वनिक शोर को दबाता है, और ध्वनिक प्रतिध्वनि को समाप्त करने वाला एक कम बिजली खपत, कम लागत वाला सिंगल चिप है। यह लेख मिनी ऐरे माइक्रोफोन तकनीक के हैंडहेल्ड कम्युनिकेशन उत्पादों में डिजाइन के मुख्य बिंदुओं, FM2010 चिप की मुख्य कार्यक्षमताओं और GSM मोबाइल फोन में इसके विशिष्ट अनुप्रयोग का परिचय देगा।
मिनी ऐरे माइक्रोफोन प्रौद्योगिकी डिजाइन के मुख्य बिंदु
SAM तकनीक यूनी-माइक (मुख्य माइक्रोफोन) और ओमनी-माइक (संदर्भ माइक्रोफोन) नामक दो माइक्रोफोन से मिलकर मिनी ऐरे माइक्रोफोन बना सकती है। इन्हें बैक-टू-बैक या साइड-बाय-साइड रखा जाता है। दोनों माइक्रोफोन की भौतिक विशेषताओं के अंतर का उपयोग करके, FM2010 चिप द्वारा प्रसंस्करण के बाद, एक शंक्वाकार ध्वनि पकड़ने वाली बीम (पिकअप बीम) बनती है, जो एक स्थानिक फ़िल्टर बनाती है, जिसका उपयोग गैर-स्थिर शोर को दबाने के लिए किया जाता है। माइक्रोफोन की विशेषताएं, संरचनात्मक डिजाइन और FM2010 के पैरामीटर समायोजन शंक्वाकार पिकअप बीम की दिशा, कोण और गैर-स्थिर शोर को दबाने के प्रभाव को निर्धारित करते हैं।
1 माइक्रोफोन का चयन
4 मिमी यूनी और ओमनी माइक्रोफोन के उपयोग की सिफारिश की जाती है। यूनी-माइक की संवेदनशीलता -40dB ±3dB होनी चाहिए; स्पेक्ट्रम 300Hz पर 8.5dB से कम गिरावट, 3.4kHz पर 3.5dB से कम वृद्धि; दिशात्मकता कार्डिओइड होनी चाहिए, 0° और 90° पर संवेदनशीलता अंतर 4dB से अधिक, 0° और 180° पर संवेदनशीलता अंतर 10dB से अधिक होना चाहिए। ओमनी-माइक की संवेदनशीलता -40dB ±1.5dB होनी चाहिए; स्पेक्ट्रम 300Hz से 3.4kHz तक सपाट होना चाहिए। शेडोंग वेइफ़ांग यी लीदा (IEA) के यूनी माइक्रोफोन B4015UL403 और ओमनी माइक्रोफोन B4015AL-398 के उपयोग की सिफारिश की जाती है।
2 संरचनात्मक डिजाइन
संरचनात्मक डिजाइन में महत्वपूर्ण मुद्दे यूनी माइक्रोफोन की विशेषताओं को बनाए रखना, शंक्वाकार पिकअप बीम की दिशा हैं। यदि हैंड्स-फ्री कॉलिंग कार्यक्षमता है, तो स्पीकर, माइक्रोफोन कंपन अवशोषण और माइक्रोफोन वायुरोधीता पर अधिक विचार करने की आवश्यकता है। शंक्वाकार पिकअप बीम की दिशा गैर-स्थिर शोर को दबाने की दिशा निर्धारित करती है, इसलिए यह सुनिश्चित किया जाना चाहिए कि उपयोगी संकेत पिकअप बीम के अंदर हो, अन्यथा इसे शोर मानकर दबा दिया जाएगा। इसलिए, उत्पाद के आकार के डिजाइन के दौरान, यूनी माइक्रोफोन की दिशा पर पूरा ध्यान देना चाहिए। संरचनात्मक डिजाइन को यह सुनिश्चित करना चाहिए कि माइक्रोफोन स्लीव और संपूर्ण आवरण में लगाने के बाद भी यूनी माइक्रोफोन की 0° और 180° पर संवेदनशीलता अंतर 6dB से अधिक हो, और संवेदनशीलता व आवृत्ति विशेषताएं मूल रूप से अपरिवर्तित रहें। माइक्रोफोन कंपन अवशोषण गैर-रैखिक प्रतिध्वनि को कम कर सकता है, वायुरोधीता रैखिक प्रतिध्वनि को कम कर सकती है, जिससे सिस्टम का सिग्नल-टू-एको अनुपात बेहतर होता है।
3 FM2010 प्रसंस्करण के बाद का संकेत
मिनी ऐरे माइक्रोफोन द्वारा पकड़े गए संकेत और FM2010 प्रसंस्करण के बाद आउटपुट संकेत की तुलना चित्र 4 में दिखाई गई है। ध्वनि स्रोत मिनी ऐरे माइक्रोफोन से 0.3 मीटर की दूरी पर है, ध्वनि तीव्रता 83dB (SPL) है। परीक्षण संकेत क्रमशः यूनी माइक्रोफोन 0° और 180°, ओमनी माइक्रोफोन 0° और 180°, लाइन आउट (Lout) मिनी ऐरे माइक्रोफोन 0° और 180° द्वारा पकड़े गए संकेतों का है जिन्हें FM2010 द्वारा प्रोसेस करके आउटपुट किया गया है। चित्र 4 से देखा जा सकता है कि समान परिमाण के संकेत, पिकअप बीम के अंदर (0°) और बाहर (180°) के लिए, अंतिम आउटपुट संकेत में 20dB का अंतर हो सकता है। इसका अर्थ है कि जब तक गैर-स्थिर शोर पिकअप बीम के बाहर है, उपयोगी संकेत की तुलना में उसे 20dB तक दबा दिया जाएगा। SAM शंक्वाकार पिकअप बीम का प्रभावी कार्य क्षेत्र 2 मीटर है। शंक्वाकार पिकअप बीम का कोण यूनी माइक्रोफोन की दिशात्मक विशेषताओं और FM2010 के पैरामीटर समायोजन पर निर्भर करता है।
यूनी माइक्रोफोन और ओमनी माइक्रोफोन द्वारा पकड़े गए संकेतों को प्रोग्रामेबल गेन एम्पलीफायर (PGA) द्वारा प्रवर्धित, एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (ADC) द्वारा परिवर्तित और हाई-पास फ़िल्टर (HPF) द्वारा फ़िल्टर किए जाने के बाद वॉयस प्रोसेसर को भेजा जाता है (जो रैखिक प्रतिध्वनि रद्दीकरण, गैर-रैखिक प्रतिध्वनि रद्दीकरण, VAD पहचान, शोर दमन, माइक्रोफोन वॉल्यूम सेटिंग करता है)। संसाधित वॉयस डेटा को डिजिटल-टू-एनालॉग कनवर्टर (DAC) द्वारा परिवर्तित किया जाता है, और माइक्रोफोन संकेत लाइन आउटपुट (LOUT) से सिंगल-एंडेड आउटपुट के रूप में TWL3014/16 एनालॉग बेसबैंड प्रोसेसर के माइक्रोफोन इनपुट (MICIP/MIC1N) को भेजा जाता है। यहां से, यह अपलिंक प्रोसेसिंग के बाद डिजिटल बेसबैंड प्रोसेसर OMAP733/750 को भेजा जाता है। GSM मोबाइल फोन द्वारा प्राप्त संकेत डिमॉड्यूलेशन, चैनल डिकोडिंग और डिक्रिप्शन के बाद डिजिटल ऑडियो सिग्नल प्राप्त होता है, जिसे TWL3014/16 एनालॉग बेसबैंड प्रोसेसर को भेजा जाता है। डाउनलिंक प्रोसेसिंग के बाद, संकेत रिसीवर (HSO) और हेडसेट (EARP/EARN) से आउटपुट होता है - एक रिसीवर को जाता है, दूसरा बाहरी पावर एम्पलीफायर को भेजा जाता है जो हैंड्स-फ्री स्पीकर को चलाता है। साथ ही, ये दोनों संकेत FM2010 के लाइन इनपुट को भेजे जाते हैं, ADC और HPF द्वारा वॉयस डेटा में परिवर्तित किए जाते हैं, और वॉयस प्रोसेसर को प्रतिध्वनि संदर्भ संकेत के रूप में संसाधित किया जाता है।
OMAP733/750 द्वारा FM2010 को नियंत्रित करने की प्रक्रिया: SHI इंटरफ़ेस, PWD, RESET, ANA_IRQ नियंत्रण पिन के माध्यम से FM2010 को नियंत्रित किया जाता है। डिवाइस चालू होने के बाद, सबसे पहले PWD को हाई सेट करें, ANA_IRQ को लो सेट करें, रीसेट के बाद, FM2010 को पैरामीटर भेजें (मुख्यतः क्लॉक स्रोत, क्लॉक फ़्रीक्वेंसी, DSP ऑपरेटिंग स्पीड)। फिर चिप को पावर सेविंग मोड में डाल दें। जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है, कॉलिंग मोड कॉल आने, बाहर जाने या रिकॉर्डिंग ऑपरेशन के आधार पर FM2010 को सक्रिय करता है, रीसेट के बाद हैंडसेट/हैंड्स-फ्री मोड के अनुसार FM2010 को संबंधित मोड पैरामीटर भेजता है। हैंडसेट शोर रद्दीकरण मोड के लिए, माइक्रोफोन की संख्या, माइक्रोफोन लाभ, माइक्रोफोन वॉल्यूम, प्रतिध्वनि रद्दीकरण पैरामीटर और VAD पैरामीटर भेजने की आवश्यकता होती है। हैंड्स-फ्री कॉन्फ्रेंस मोड के लिए, माइक्रोफोन की संख्या, माइक्रोफोन लाभ, माइक्रोफोन वॉल्यूम, माइक्रोफोन उलटाव, और प्रतिध्वनि रद्दीकरण पैरामीटर (मुख्यतः जब दूसरा पक्ष धीरे बोल रहा हो, सामान्य बोल रहा हो, या जोर से बोल रहा हो) भेजने की आवश्यकता होती है। हैंड्स-फ्री पर्सनल मोड की डिबगिंग विधि मूल रूप से हैंडसेट शोर रद्दीकरण मोड के समान है, लेकिन प्रतिध्वनि रद्दीकरण पैरामीटर में अधिक समायोजन की आवश्यकता होती है। कॉल समाप्त होने के बाद, FM2010 के कोडेक को बंद कर दें, और FM2010 को पावर सेविंग मोड में सेट करें। जैसा कि चित्र 9 में दिखाया गया है, GSM मोबाइल फोन ऑडियो परीक्षण मोड मुख्यतः फोन परीक्षण उद्देश्यों के लिए उपयोग किया जाता है। टेस्ट मोड में प्रवेश करने के बाद, FM2010 बाईपास मोड में काम करता है। इस स्थिति में, आंतरिक DSP माइक्रोफोन इनपुट सिग्नल पर कोई प्रसंस्करण नहीं करता है। यूनी माइक्रोफोन इनपुट सिग्नल PGA द्वारा प्रवर्धित होने के बाद सीधे LOUT एम्पलीफायर से आउटपुट होता है। SHI इंटरफ़ेस के माध्यम से माइक्रोफोन एम्पलीफायर और LOUT एम्पलीफायर लाभ पैरामीटर को ऑनलाइन समायोजित किया जा सकता है।
अमेरिकी कंपनी फोर्टीमीडिया (ForteMedia) द्वारा पेश किया गया FM2010 चिप मिनी ऐरे माइक्रोफोन (SAM) पेटेंट प्रौद्योगिकी पर आधारित है। यह स्थानिक फ़िल्टरिंग तकनीक का उपयोग करता है, दूर/पास की दिशात्मक ध्वनि संकेतों को पकड़ता है, ध्वनिक शोर को दबाता है, और ध्वनिक प्रतिध्वनि को समाप्त करने वाला एक कम बिजली खपत, कम लागत वाला सिंगल चिप है। यह लेख मिनी ऐरे माइक्रोफोन तकनीक के हैंडहेल्ड कम्युनिकेशन उत्पादों में डिजाइन के मुख्य बिंदुओं, FM2010 चिप की मुख्य कार्यक्षमताओं और GSM मोबाइल फोन में इसके विशिष्ट अनुप्रयोग का परिचय देगा।
मिनी ऐरे माइक्रोफोन प्रौद्योगिकी डिजाइन के मुख्य बिंदु
SAM तकनीक यूनी-माइक (मुख्य माइक्रोफोन) और ओमनी-माइक (संदर्भ माइक्रोफोन) नामक दो माइक्रोफोन से मिलकर मिनी ऐरे माइक्रोफोन बना सकती है। इन्हें बैक-टू-बैक या साइड-बाय-साइड रखा जाता है। दोनों माइक्रोफोन की भौतिक विशेषताओं के अंतर का उपयोग करके, FM2010 चिप द्वारा प्रसंस्करण के बाद, एक शंक्वाकार ध्वनि पकड़ने वाली बीम (पिकअप बीम) बनती है, जो एक स्थानिक फ़िल्टर बनाती है, जिसका उपयोग गैर-स्थिर शोर को दबाने के लिए किया जाता है। माइक्रोफोन की विशेषताएं, संरचनात्मक डिजाइन और FM2010 के पैरामीटर समायोजन शंक्वाकार पिकअप बीम की दिशा, कोण और गैर-स्थिर शोर को दबाने के प्रभाव को निर्धारित करते हैं।
1 माइक्रोफोन का चयन
4 मिमी यूनी और ओमनी माइक्रोफोन के उपयोग की सिफारिश की जाती है। यूनी-माइक की संवेदनशीलता -40dB ±3dB होनी चाहिए; स्पेक्ट्रम 300Hz पर 8.5dB से कम गिरावट, 3.4kHz पर 3.5dB से कम वृद्धि; दिशात्मकता कार्डिओइड होनी चाहिए, 0° और 90° पर संवेदनशीलता अंतर 4dB से अधिक, 0° और 180° पर संवेदनशीलता अंतर 10dB से अधिक होना चाहिए। ओमनी-माइक की संवेदनशीलता -40dB ±1.5dB होनी चाहिए; स्पेक्ट्रम 300Hz से 3.4kHz तक सपाट होना चाहिए। शेडोंग वेइफ़ांग यी लीदा (IEA) के यूनी माइक्रोफोन B4015UL403 और ओमनी माइक्रोफोन B4015AL-398 के उपयोग की सिफारिश की जाती है।
2 संरचनात्मक डिजाइन
संरचनात्मक डिजाइन में महत्वपूर्ण मुद्दे यूनी माइक्रोफोन की विशेषताओं को बनाए रखना, शंक्वाकार पिकअप बीम की दिशा हैं। यदि हैंड्स-फ्री कॉलिंग कार्यक्षमता है, तो स्पीकर, माइक्रोफोन कंपन अवशोषण और माइक्रोफोन वायुरोधीता पर अधिक विचार करने की आवश्यकता है। शंक्वाकार पिकअप बीम की दिशा गैर-स्थिर शोर को दबाने की दिशा निर्धारित करती है, इसलिए यह सुनिश्चित किया जाना चाहिए कि उपयोगी संकेत पिकअप बीम के अंदर हो, अन्यथा इसे शोर मानकर दबा दिया जाएगा। इसलिए, उत्पाद के आकार के डिजाइन के दौरान, यूनी माइक्रोफोन की दिशा पर पूरा ध्यान देना चाहिए। संरचनात्मक डिजाइन को यह सुनिश्चित करना चाहिए कि माइक्रोफोन स्लीव और संपूर्ण आवरण में लगाने के बाद भी यूनी माइक्रोफोन की 0° और 180° पर संवेदनशीलता अंतर 6dB से अधिक हो, और संवेदनशीलता व आवृत्ति विशेषताएं मूल रूप से अपरिवर्तित रहें। माइक्रोफोन कंपन अवशोषण गैर-रैखिक प्रतिध्वनि को कम कर सकता है, वायुरोधीता रैखिक प्रतिध्वनि को कम कर सकती है, जिससे सिस्टम का सिग्नल-टू-एको अनुपात बेहतर होता है।
3 FM2010 प्रसंस्करण के बाद का संकेत
मिनी ऐरे माइक्रोफोन द्वारा पकड़े गए संकेत और FM2010 प्रसंस्करण के बाद आउटपुट संकेत की तुलना चित्र 4 में दिखाई गई है। ध्वनि स्रोत मिनी ऐरे माइक्रोफोन से 0.3 मीटर की दूरी पर है, ध्वनि तीव्रता 83dB (SPL) है। परीक्षण संकेत क्रमशः यूनी माइक्रोफोन 0° और 180°, ओमनी माइक्रोफोन 0° और 180°, लाइन आउट (Lout) मिनी ऐरे माइक्रोफोन 0° और 180° द्वारा पकड़े गए संकेतों का है जिन्हें FM2010 द्वारा प्रोसेस करके आउटपुट किया गया है। चित्र 4 से देखा जा सकता है कि समान परिमाण के संकेत, पिकअप बीम के अंदर (0°) और बाहर (180°) के लिए, अंतिम आउटपुट संकेत में 20dB का अंतर हो सकता है। इसका अर्थ है कि जब तक गैर-स्थिर शोर पिकअप बीम के बाहर है, उपयोगी संकेत की तुलना में उसे 20dB तक दबा दिया जाएगा। SAM शंक्वाकार पिकअप बीम का प्रभावी कार्य क्षेत्र 2 मीटर है। शंक्वाकार पिकअप बीम का कोण यूनी माइक्रोफोन की दिशात्मक विशेषताओं और FM2010 के पैरामीटर समायोजन पर निर्भर करता है।
यूनी माइक्रोफोन और ओमनी माइक्रोफोन द्वारा पकड़े गए संकेतों को प्रोग्रामेबल गेन एम्पलीफायर (PGA) द्वारा प्रवर्धित, एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (ADC) द्वारा परिवर्तित और हाई-पास फ़िल्टर (HPF) द्वारा फ़िल्टर किए जाने के बाद वॉयस प्रोसेसर को भेजा जाता है (जो रैखिक प्रतिध्वनि रद्दीकरण, गैर-रैखिक प्रतिध्वनि रद्दीकरण, VAD पहचान, शोर दमन, माइक्रोफोन वॉल्यूम सेटिंग करता है)। संसाधित वॉयस डेटा को डिजिटल-टू-एनालॉग कनवर्टर (DAC) द्वारा परिवर्तित किया जाता है, और माइक्रोफोन संकेत लाइन आउटपुट (LOUT) से सिंगल-एंडेड आउटपुट के रूप में TWL3014/16 एनालॉग बेसबैंड प्रोसेसर के माइक्रोफोन इनपुट (MICIP/MIC1N) को भेजा जाता है। यहां से, यह अपलिंक प्रोसेसिंग के बाद डिजिटल बेसबैंड प्रोसेसर OMAP733/750 को भेजा जाता है। GSM मोबाइल फोन द्वारा प्राप्त संकेत डिमॉड्यूलेशन, चैनल डिकोडिंग और डिक्रिप्शन के बाद डिजिटल ऑडियो सिग्नल प्राप्त होता है, जिसे TWL3014/16 एनालॉग बेसबैंड प्रोसेसर को भेजा जाता है। डाउनलिंक प्रोसेसिंग के बाद, संकेत रिसीवर (HSO) और हेडसेट (EARP/EARN) से आउटपुट होता है - एक रिसीवर को जाता है, दूसरा बाहरी पावर एम्पलीफायर को भेजा जाता है जो हैंड्स-फ्री स्पीकर को चलाता है। साथ ही, ये दोनों संकेत FM2010 के लाइन इनपुट को भेजे जाते हैं, ADC और HPF द्वारा वॉयस डेटा में परिवर्तित किए जाते हैं, और वॉयस प्रोसेसर को प्रतिध्वनि संदर्भ संकेत के रूप में संसाधित किया जाता है।
OMAP733/750 द्वारा FM2010 को नियंत्रित करने की प्रक्रिया: SHI इंटरफ़ेस, PWD, RESET, ANA_IRQ नियंत्रण पिन के माध्यम से FM2010 को नियंत्रित किया जाता है। डिवाइस चालू होने के बाद, सबसे पहले PWD को हाई सेट करें, ANA_IRQ को लो सेट करें, रीसेट के बाद, FM2010 को पैरामीटर भेजें (मुख्यतः क्लॉक स्रोत, क्लॉक फ़्रीक्वेंसी, DSP ऑपरेटिंग स्पीड)। फिर चिप को पावर सेविंग मोड में डाल दें। जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है, कॉलिंग मोड कॉल आने, बाहर जाने या रिकॉर्डिंग ऑपरेशन के आधार पर FM2010 को सक्रिय करता है, रीसेट के बाद हैंडसेट/हैंड्स-फ्री मोड के अनुसार FM2010 को संबंधित मोड पैरामीटर भेजता है। हैंडसेट शोर रद्दीकरण मोड के लिए, माइक्रोफोन की संख्या, माइक्रोफोन लाभ, माइक्रोफोन वॉल्यूम, प्रतिध्वनि रद्दीकरण पैरामीटर और VAD पैरामीटर भेजने की आवश्यकता होती है। हैंड्स-फ्री कॉन्फ्रेंस मोड के लिए, माइक्रोफोन की संख्या, माइक्रोफोन लाभ, माइक्रोफोन वॉल्यूम, माइक्रोफोन उलटाव, और प्रतिध्वनि रद्दीकरण पैरामीटर (मुख्यतः जब दूसरा पक्ष धीरे बोल रहा हो, सामान्य बोल रहा हो, या जोर से बोल रहा हो) भेजने की आवश्यकता होती है। हैंड्स-फ्री पर्सनल मोड की डिबगिंग विधि मूल रूप से हैंडसेट शोर रद्दीकरण मोड के समान है, लेकिन प्रतिध्वनि रद्दीकरण पैरामीटर में अधिक समायोजन की आवश्यकता होती है। कॉल समाप्त होने के बाद, FM2010 के कोडेक को बंद कर दें, और FM2010 को पावर सेविंग मोड में सेट करें। जैसा कि चित्र 9 में दिखाया गया है, GSM मोबाइल फोन ऑडियो परीक्षण मोड मुख्यतः फोन परीक्षण उद्देश्यों के लिए उपयोग किया जाता है। टेस्ट मोड में प्रवेश करने के बाद, FM2010 बाईपास मोड में काम करता है। इस स्थिति में, आंतरिक DSP माइक्रोफोन इनपुट सिग्नल पर कोई प्रसंस्करण नहीं करता है। यूनी माइक्रोफोन इनपुट सिग्नल PGA द्वारा प्रवर्धित होने के बाद सीधे LOUT एम्पलीफायर से आउटपुट होता है। SHI इंटरफ़ेस के माध्यम से माइक्रोफोन एम्पलीफायर और LOUT एम्पलीफायर लाभ पैरामीटर को ऑनलाइन समायोजित किया जा सकता है।