Progettazione di prodotti di comunicazione portatili basati sulla tecnologia del mini array microfonico
Le limitazioni spaziali nelle strutture dei prodotti portatili sono sempre maggiori, gli altoparlanti sono sempre più piccoli e il suono richiesto è sempre più alto. Sopprimere vari tipi di rumore ed eco (eco lineare e non lineare durante le videochiamate vivavoce) e ottenere una comunicazione vocale chiara in ambienti rumorosi è un problema da risolvere.
Il chip FM2010 della società americana ForteMedia è basato sulla tecnologia brevettata del mini array microfonico (SAM). È un chip singolo a basso consumo e basso costo che utilizza tecniche di filtraggio spaziale, acquisizione direzionale del segnale sonoro da vicino/lontano, soppressione del rumore acustico ed eliminazione dell'eco acustica. Questo articolo presenta i punti chiave di progettazione della tecnologia SAM nei prodotti di comunicazione portatili, le funzioni principali del chip FM2010 e la sua tipica applicazione nei telefoni GSM.
Punti chiave di progettazione della tecnologia del mini array microfonico
La tecnologia SAM può utilizzare due microfoni: Uni-MIC (microfono principale) e Omni-MIC (microfono di riferimento), disposti back-to-back o side-by-side per formare il mini array. Sfruttando la differenza nelle caratteristiche fisiche dei due microfoni e l'elaborazione del chip FM2010, si forma un fascio di acquisizione sonora conico, creando un filtro spaziale per sopprimere il rumore non stazionario. Le caratteristiche del microfono, il design strutturale e la regolazione dei parametri del FM2010 determinano la direzione, l'angolo del fascio conico e l'efficacia nella soppressione del rumore non stazionario.
1 Selezione del microfono
Si consiglia l'uso di microfoni Uni e Omni da 4mm. Uni-MIC: sensibilità -40dB ± 3dB; risposta in frequenza: caduta < 8.5dB a 300Hz, incremento < 3.5dB a 3.4kHz; direttività cardioide, differenza di sensibilità > 4dB tra 0° e 90°, differenza > 10dB tra 0° e 180°. Omni-MIC: sensibilità -40dB ± 1.5dB; risposta in frequenza piatta tra 300Hz e 3.4kHz. Si consigliano i modelli Uni B4015UL403 e Omni B4015AL-398 di IEA (Weifang, Shandong).
2 Progettazione strutturale
I problemi chiave nella progettazione strutturale sono il mantenimento delle caratteristiche del Uni-MIC, la direzione del fascio di acquisizione conico e, se presente la funzione vivavoce, la sospensione dell'altoparlante, l'isolamento acustico del microfono e la tenuta dell'aria. La direzione del fascio di acquisizione conico determina la direzione di soppressione del rumore non stazionario, quindi è essenziale che il segnale utile sia all'interno del fascio, altrimenti verrà soppresso come rumore. Durante il design estetico del prodotto, è necessario considerare attentamente l'orientamento del Uni-MIC. La progettazione strutturale deve garantire che, una volta montato il Uni-MIC nel portamicrofono e nel telaio, la differenza di sensibilità tra 0° e 180° rimanga > 6dB e che sensibilità e risposta in frequenza rimangano sostanzialmente invariate. L'isolamento acustico del microfono riduce l'eco non lineare, la tenuta dell'aria riduce l'eco lineare, migliorando il rapporto segnale/eco del sistema.
3 Segnale dopo l'elaborazione da parte di FM2010
La Figura 4 mostra un confronto tra il segnale acquisito dal mini array microfonico e il segnale in uscita dopo l'elaborazione da parte di FM2010. La sorgente sonora era a 0.3m dal mini array, con un'intensità di 83dB (SPL). I segnali di test erano rispettivamente: Uni-MIC 0° e 180°, Omni-MIC 0° e 180°, segnale di linea in uscita (Lout) dal mini array microfonico a 0° e 180° dopo l'elaborazione da parte di FM2010. Dalla Figura 4 si evince che segnali della stessa ampiezza, all'interno (0°) e all'esterno (180°) del fascio di acquisizione, possono avere un'uscita finale che differisce di 20dB. Ciò significa che il rumore non stazionario al di fuori del fascio di acquisizione verrà soppresso di 20dB rispetto al segnale utile. Il fascio conico SAM è efficace entro 2m. L'angolo del fascio conico dipende dalle caratteristiche direzionali del Uni-MIC e dalla regolazione dei parametri di FM2010.
I segnali acquisiti da Uni-MIC e Omni-MIC vengono amplificati da amplificatori a guadagno programmabile (PGA), convertiti da analogico a digitale (ADC) e filtrati passa-alto (HPF), quindi inviati al processore vocale per l'elaborazione (cancellazione eco lineare, cancellazione eco non lineare, rilevamento VAD, soppressione del rumore, impostazione volume microfono). I dati vocali in uscita vengono convertiti da digitale ad analogico (DAC) e il segnale microfonico viene inviato in modo single-ended dall'uscita di linea (LOUT) all'ingresso microfonico (MICIP/MIC1N) del processore baseband analogico TWL3014/16. Dopo l'elaborazione del percorso di uplink, il segnale viene inviato al processore baseband digitale OMAP733/750. Il segnale ricevuto dal telefono GSM viene demodulato, decodificato dal canale dal processore baseband digitale OMAP733/750 e sottoposto a cifratura, ottenendo il segnale audio digitale che viene inviato al processore baseband analogico TWL3014/16. Dopo l'elaborazione del percorso di downlink, il segnale viene emesso dal ricevitore (HSO) e dalle cuffie (EARP/EARN): un percorso verso il ricevitore, un altro verso un amplificatore esterno per pilotare l'altoparlante vivavoce. Contemporaneamente, entrambi i segnali vengono inviati agli ingressi di linea del FM2010, convertiti da ADC e filtrati HPF in dati vocali, che il processore vocale utilizza come segnali di riferimento per l'eco.
Flusso di controllo OMAP733/750 su FM2010: L'operazione su FM2010 viene eseguita tramite l'interfaccia SHI e i pin di controllo PWD, RESET, ANA_IRQ. Dopo l'accensione, impostare prima PWD alto, ANA_IRQ basso. Dopo il reset, inviare i parametri a FM2010 (principalmente sorgente clock, frequenza clock, velocità operativa DSP), quindi impostare il chip in modalità risparmio energetico. Come mostrato in Figura 8, la modalità chiamata (in base a chiamata in entrata/uscita o registrazione) risveglia FM2010. Dopo il reset, in base alla modalità portatile/vivavoce, vengono inviati i parametri di modalità corrispondenti a FM2010. Per la modalità soppressione rumore portatile, è necessario inviare: numero microfoni, guadagno microfono, volume microfono, parametri cancellazione eco e parametri VAD. Per la modalità conferenza vivavoce, è necessario inviare: numero microfoni, guadagno microfono, volume microfono, inversione microfono, parametri cancellazione eco (principalmente per voce bassa, normale e alta dell'interlocutore). Il metodo di regolazione per la modalità personale vivavoce è simile alla soppressione rumore portatile, ma i parametri di cancellazione eco richiedono più regolazioni. Alla fine della chiamata, disattivare il CODEC di FM2010 e impostare FM2010 in modalità risparmio energetico. Come mostrato in Figura 9, la modalità test audio per telefoni GSM è utilizzata principalmente per scopi di test. In questa modalità, FM2010 funziona in modalità diretta (bypass), senza alcuna elaborazione DSP del segnale microfonico in ingresso. Il segnale Uni-MIC in ingresso viene amplificato dal PGA e inviato direttamente all'uscita dell'amplificatore LOUT. È possibile regolare online i parametri del guadagno dell'amplificatore microfonico e dell'amplificatore LOUT tramite l'interfaccia SHI.
Il chip FM2010 della società americana ForteMedia è basato sulla tecnologia brevettata del mini array microfonico (SAM). È un chip singolo a basso consumo e basso costo che utilizza tecniche di filtraggio spaziale, acquisizione direzionale del segnale sonoro da vicino/lontano, soppressione del rumore acustico ed eliminazione dell'eco acustica. Questo articolo presenta i punti chiave di progettazione della tecnologia SAM nei prodotti di comunicazione portatili, le funzioni principali del chip FM2010 e la sua tipica applicazione nei telefoni GSM.
Punti chiave di progettazione della tecnologia del mini array microfonico
La tecnologia SAM può utilizzare due microfoni: Uni-MIC (microfono principale) e Omni-MIC (microfono di riferimento), disposti back-to-back o side-by-side per formare il mini array. Sfruttando la differenza nelle caratteristiche fisiche dei due microfoni e l'elaborazione del chip FM2010, si forma un fascio di acquisizione sonora conico, creando un filtro spaziale per sopprimere il rumore non stazionario. Le caratteristiche del microfono, il design strutturale e la regolazione dei parametri del FM2010 determinano la direzione, l'angolo del fascio conico e l'efficacia nella soppressione del rumore non stazionario.
1 Selezione del microfono
Si consiglia l'uso di microfoni Uni e Omni da 4mm. Uni-MIC: sensibilità -40dB ± 3dB; risposta in frequenza: caduta < 8.5dB a 300Hz, incremento < 3.5dB a 3.4kHz; direttività cardioide, differenza di sensibilità > 4dB tra 0° e 90°, differenza > 10dB tra 0° e 180°. Omni-MIC: sensibilità -40dB ± 1.5dB; risposta in frequenza piatta tra 300Hz e 3.4kHz. Si consigliano i modelli Uni B4015UL403 e Omni B4015AL-398 di IEA (Weifang, Shandong).
2 Progettazione strutturale
I problemi chiave nella progettazione strutturale sono il mantenimento delle caratteristiche del Uni-MIC, la direzione del fascio di acquisizione conico e, se presente la funzione vivavoce, la sospensione dell'altoparlante, l'isolamento acustico del microfono e la tenuta dell'aria. La direzione del fascio di acquisizione conico determina la direzione di soppressione del rumore non stazionario, quindi è essenziale che il segnale utile sia all'interno del fascio, altrimenti verrà soppresso come rumore. Durante il design estetico del prodotto, è necessario considerare attentamente l'orientamento del Uni-MIC. La progettazione strutturale deve garantire che, una volta montato il Uni-MIC nel portamicrofono e nel telaio, la differenza di sensibilità tra 0° e 180° rimanga > 6dB e che sensibilità e risposta in frequenza rimangano sostanzialmente invariate. L'isolamento acustico del microfono riduce l'eco non lineare, la tenuta dell'aria riduce l'eco lineare, migliorando il rapporto segnale/eco del sistema.
3 Segnale dopo l'elaborazione da parte di FM2010
La Figura 4 mostra un confronto tra il segnale acquisito dal mini array microfonico e il segnale in uscita dopo l'elaborazione da parte di FM2010. La sorgente sonora era a 0.3m dal mini array, con un'intensità di 83dB (SPL). I segnali di test erano rispettivamente: Uni-MIC 0° e 180°, Omni-MIC 0° e 180°, segnale di linea in uscita (Lout) dal mini array microfonico a 0° e 180° dopo l'elaborazione da parte di FM2010. Dalla Figura 4 si evince che segnali della stessa ampiezza, all'interno (0°) e all'esterno (180°) del fascio di acquisizione, possono avere un'uscita finale che differisce di 20dB. Ciò significa che il rumore non stazionario al di fuori del fascio di acquisizione verrà soppresso di 20dB rispetto al segnale utile. Il fascio conico SAM è efficace entro 2m. L'angolo del fascio conico dipende dalle caratteristiche direzionali del Uni-MIC e dalla regolazione dei parametri di FM2010.
I segnali acquisiti da Uni-MIC e Omni-MIC vengono amplificati da amplificatori a guadagno programmabile (PGA), convertiti da analogico a digitale (ADC) e filtrati passa-alto (HPF), quindi inviati al processore vocale per l'elaborazione (cancellazione eco lineare, cancellazione eco non lineare, rilevamento VAD, soppressione del rumore, impostazione volume microfono). I dati vocali in uscita vengono convertiti da digitale ad analogico (DAC) e il segnale microfonico viene inviato in modo single-ended dall'uscita di linea (LOUT) all'ingresso microfonico (MICIP/MIC1N) del processore baseband analogico TWL3014/16. Dopo l'elaborazione del percorso di uplink, il segnale viene inviato al processore baseband digitale OMAP733/750. Il segnale ricevuto dal telefono GSM viene demodulato, decodificato dal canale dal processore baseband digitale OMAP733/750 e sottoposto a cifratura, ottenendo il segnale audio digitale che viene inviato al processore baseband analogico TWL3014/16. Dopo l'elaborazione del percorso di downlink, il segnale viene emesso dal ricevitore (HSO) e dalle cuffie (EARP/EARN): un percorso verso il ricevitore, un altro verso un amplificatore esterno per pilotare l'altoparlante vivavoce. Contemporaneamente, entrambi i segnali vengono inviati agli ingressi di linea del FM2010, convertiti da ADC e filtrati HPF in dati vocali, che il processore vocale utilizza come segnali di riferimento per l'eco.
Flusso di controllo OMAP733/750 su FM2010: L'operazione su FM2010 viene eseguita tramite l'interfaccia SHI e i pin di controllo PWD, RESET, ANA_IRQ. Dopo l'accensione, impostare prima PWD alto, ANA_IRQ basso. Dopo il reset, inviare i parametri a FM2010 (principalmente sorgente clock, frequenza clock, velocità operativa DSP), quindi impostare il chip in modalità risparmio energetico. Come mostrato in Figura 8, la modalità chiamata (in base a chiamata in entrata/uscita o registrazione) risveglia FM2010. Dopo il reset, in base alla modalità portatile/vivavoce, vengono inviati i parametri di modalità corrispondenti a FM2010. Per la modalità soppressione rumore portatile, è necessario inviare: numero microfoni, guadagno microfono, volume microfono, parametri cancellazione eco e parametri VAD. Per la modalità conferenza vivavoce, è necessario inviare: numero microfoni, guadagno microfono, volume microfono, inversione microfono, parametri cancellazione eco (principalmente per voce bassa, normale e alta dell'interlocutore). Il metodo di regolazione per la modalità personale vivavoce è simile alla soppressione rumore portatile, ma i parametri di cancellazione eco richiedono più regolazioni. Alla fine della chiamata, disattivare il CODEC di FM2010 e impostare FM2010 in modalità risparmio energetico. Come mostrato in Figura 9, la modalità test audio per telefoni GSM è utilizzata principalmente per scopi di test. In questa modalità, FM2010 funziona in modalità diretta (bypass), senza alcuna elaborazione DSP del segnale microfonico in ingresso. Il segnale Uni-MIC in ingresso viene amplificato dal PGA e inviato direttamente all'uscita dell'amplificatore LOUT. È possibile regolare online i parametri del guadagno dell'amplificatore microfonico e dell'amplificatore LOUT tramite l'interfaccia SHI.