Design de Produtos de Comunicação Portáteis Baseado na Tecnologia de Matriz de Microfones Miniaturizada
As restrições de espaço na estrutura de produtos portáteis são cada vez maiores. Os alto-falantes são cada vez menores, enquanto a exigência por som mais alto aumenta. Suprimir diversos tipos de ruído e eco (eco linear e não-linear durante chamadas de vídeo em viva-voz) e alcançar comunicação de voz clara em ambientes ruidosos é um problema a ser resolvido.
O chip FM2010, lançado pela empresa americana ForteMedia, baseia-se na tecnologia patenteada de Matriz de Microfones Miniaturizada (SAM). É um chip único de baixo consumo e baixo custo que utiliza tecnologia de filtragem espacial, captação direcional de sinal de voz a curta/longa distância, supressão de ruído acústico e cancelamento de eco acústico. Este artigo apresentará os pontos-chave do design da tecnologia SAM em produtos de comunicação portáteis, as principais funções do chip FM2010 e sua aplicação típica em telefones celulares GSM.
Pontos-Chave do Design com Tecnologia SAM
A tecnologia SAM pode utilizar dois microfones: Uni-MIC (microfone principal) e Omni-MIC (microfone de referência), formando a matriz miniaturizada. Eles podem ser posicionados costas com costas ou lado a lado. Utilizando a diferença nas características físicas dos dois tipos de microfone e após o processamento pelo chip FM2010, forma-se um feixe de captação cônico, criando um filtro espacial para suprir ruídos não estacionários. As características dos microfones, o design estrutural e o ajuste de parâmetros do FM2010 determinam a direção, o ângulo do feixe cônico e a eficácia na supressão de ruídos não estacionários.
1 Seleção do Microfone
Recomenda-se o uso de microfones Uni e Omni de 4mm. Sensibilidade do Uni-MIC: -40dB ±3dB; resposta em frequência: queda <8.5dB em 300Hz, aumento <3.5dB em 3.4kHz; direcionalidade cardioide, diferença de sensibilidade >4dB entre 0° e 90°, diferença >10dB entre 0° e 180°. Sensibilidade do Omni-MIC: -40dB±1.5dB; resposta plana em frequência de 300Hz a 3.4kHz. Recomendados: Uni-MIC B4015UL403 e Omni-MIC B4015AL-398 da IEA (Weifang, Shandong).
2 Design Estrutural
Os problemas-chave no design estrutural são a manutenção das características do Uni-MIC e a direção do feixe de captação cônico. Se houver função de viva-voz, também é necessário considerar mais aspectos como vibração do alto-falante, redução de vibração do microfone e vedação de ar do microfone. A direção do feixe cônico determina a direção da supressão de ruído não estacionário. Portanto, o sinal útil deve estar dentro do feixe, caso contrário será suprimido como ruído. Assim, durante o design externo do produto, deve-se considerar plenamente a direção do Uni-MIC. O design estrutural deve garantir que, após a montagem do Uni-MIC no soquete e no invólucro, a diferença de sensibilidade entre 0° e 180° seja >6dB, e que a sensibilidade e características de frequência permaneçam basicamente inalteradas. A redução de vibração do microfone pode diminuir o eco não-linear, e a vedação de ar pode reduzir o eco linear, melhorando a relação sinal-eco do sistema.
3 Sinal Após Processamento pelo FM2010
Uma comparação entre o sinal captado pela matriz de microfones miniaturizada e o sinal de saída após processamento pelo FM2010 é mostrada na Figura 4. A fonte sonora está a 0.3m da matriz, com intensidade de 83dB (SPL). Os sinais de teste são: Uni-MIC a 0° e 180°, Omni-MIC a 0° e 180°, saída de linha (Lout) - sinal de saída após processamento pelo FM2010 do sinal captado pela matriz a 0° e 180°. Pode-se observar na Fig. 4 que sinais de mesma intensidade, dentro (0°) e fora (180°) do feixe de captação, podem resultar em sinais de saída finais com diferença de 20dB. Ou seja, desde que o ruído não estacionário esteja fora do feixe de captação, ele será suprimido em 20dB em relação ao sinal útil. O alcance efetivo do feixe cônico SAM é de 2m. O ângulo do feixe cônico depende da diretividade do Uni-MIC e do ajuste dos parâmetros do FM2010.
Os sinais captados pelo Uni-MIC e Omni-MIC são amplificados por amplificadores de ganho programável (PGA), convertidos para digital (ADC) e filtrados passa-alta (HPF), sendo então enviados ao processador de voz (cancelamento de eco linear, cancelamento de eco não-linear, detecção VAD, supressão de ruído, ajuste de volume do microfone). Os dados de voz de saída são convertidos para analógico (DAC) e o sinal do microfone é enviado de forma single-ended da saída de linha (LOUT) para a entrada de microfone (MICIP/MIC1N) do processador de banda base analógica TWL3014/16. Após processamento no uplink, o sinal é enviado ao processador de banda base digital OMAP733/750. O sinal recebido pelo celular GSM é demodulado, decodificado de canal pelo OMAP733/750 e processado (confidencialidade), resultando em sinal de áudio digital enviado ao TWL3014/16. Após processamento no downlink, o sinal é enviado ao receptor (HSO) e ao fone de ouvido (EARP/EARN) - uma via para o receptor, outra para um amplificador externo que aciona o alto-falante de viva-voz. Simultaneamente, ambos os sinais são enviados às entradas de linha (LIN) do FM2010, convertidos para digital (ADC) e filtrados passa-alta (HPF) para se tornarem dados de voz, servindo como sinais de referência de eco para o processador de voz.
Fluxo de Controle do OMAP733/750 sobre o FM2010: A operação do FM2010 é realizada através da interface SHI e dos pinos de controle PWD, RESET, ANA_IRQ. Após a energização do aparelho, primeiro coloque PWD em nível alto e ANA_IRQ em nível baixo. Após o reset, envie parâmetros ao FM2010 (principalmente fonte de clock, frequência de clock, taxa de operação do DSP), então coloque o chip em modo de economia de energia. Como mostrado na Figura 8, o modo de chamada (conversação) acorda o FM2010 com base em chamadas recebidas, realizadas ou operações de gravação. Após o reset, de acordo com o modo mão-livre ou não, envie os parâmetros de modo correspondentes ao FM2010. Para o modo de supressão de ruído portátil (handset), envie: número de microfones, ganho do microfone, volume do microfone, parâmetros de cancelamento de eco e parâmetros VAD. Para o modo conferência viva-voz (speakerphone), envie: número de microfones, ganho do microfone, volume do microfone, inversão de microfone, parâmetros de cancelamento de eco (principalmente para quando a outra parte fala baixo, normal ou alto). O método de ajuste para o modo viva-voz pessoal (personal speakerphone) é basicamente o mesmo do modo portátil, mas os parâmetros de cancelamento de eco requerem mais ajustes. Após o fim da chamada, desative o CODEC do FM2010 e coloque-o em modo de economia de energia. Como mostrado na Figura 9, o modo de teste de áudio do celular GSM é usado principalmente para fins de teste do telefone. Ao entrar no modo de teste, o FM2010 opera em modo bypass (passagem direta). Neste estado, o DSP interno não processa o sinal de entrada do microfone. O sinal de entrada do Uni-MIC é amplificado pelo PGA e enviado diretamente à saída do amplificador LOUT. Os parâmetros de ganho do amplificador de microfone e do amplificador LOUT podem ser ajustados online via interface SHI.
O chip FM2010, lançado pela empresa americana ForteMedia, baseia-se na tecnologia patenteada de Matriz de Microfones Miniaturizada (SAM). É um chip único de baixo consumo e baixo custo que utiliza tecnologia de filtragem espacial, captação direcional de sinal de voz a curta/longa distância, supressão de ruído acústico e cancelamento de eco acústico. Este artigo apresentará os pontos-chave do design da tecnologia SAM em produtos de comunicação portáteis, as principais funções do chip FM2010 e sua aplicação típica em telefones celulares GSM.
Pontos-Chave do Design com Tecnologia SAM
A tecnologia SAM pode utilizar dois microfones: Uni-MIC (microfone principal) e Omni-MIC (microfone de referência), formando a matriz miniaturizada. Eles podem ser posicionados costas com costas ou lado a lado. Utilizando a diferença nas características físicas dos dois tipos de microfone e após o processamento pelo chip FM2010, forma-se um feixe de captação cônico, criando um filtro espacial para suprir ruídos não estacionários. As características dos microfones, o design estrutural e o ajuste de parâmetros do FM2010 determinam a direção, o ângulo do feixe cônico e a eficácia na supressão de ruídos não estacionários.
1 Seleção do Microfone
Recomenda-se o uso de microfones Uni e Omni de 4mm. Sensibilidade do Uni-MIC: -40dB ±3dB; resposta em frequência: queda <8.5dB em 300Hz, aumento <3.5dB em 3.4kHz; direcionalidade cardioide, diferença de sensibilidade >4dB entre 0° e 90°, diferença >10dB entre 0° e 180°. Sensibilidade do Omni-MIC: -40dB±1.5dB; resposta plana em frequência de 300Hz a 3.4kHz. Recomendados: Uni-MIC B4015UL403 e Omni-MIC B4015AL-398 da IEA (Weifang, Shandong).
2 Design Estrutural
Os problemas-chave no design estrutural são a manutenção das características do Uni-MIC e a direção do feixe de captação cônico. Se houver função de viva-voz, também é necessário considerar mais aspectos como vibração do alto-falante, redução de vibração do microfone e vedação de ar do microfone. A direção do feixe cônico determina a direção da supressão de ruído não estacionário. Portanto, o sinal útil deve estar dentro do feixe, caso contrário será suprimido como ruído. Assim, durante o design externo do produto, deve-se considerar plenamente a direção do Uni-MIC. O design estrutural deve garantir que, após a montagem do Uni-MIC no soquete e no invólucro, a diferença de sensibilidade entre 0° e 180° seja >6dB, e que a sensibilidade e características de frequência permaneçam basicamente inalteradas. A redução de vibração do microfone pode diminuir o eco não-linear, e a vedação de ar pode reduzir o eco linear, melhorando a relação sinal-eco do sistema.
3 Sinal Após Processamento pelo FM2010
Uma comparação entre o sinal captado pela matriz de microfones miniaturizada e o sinal de saída após processamento pelo FM2010 é mostrada na Figura 4. A fonte sonora está a 0.3m da matriz, com intensidade de 83dB (SPL). Os sinais de teste são: Uni-MIC a 0° e 180°, Omni-MIC a 0° e 180°, saída de linha (Lout) - sinal de saída após processamento pelo FM2010 do sinal captado pela matriz a 0° e 180°. Pode-se observar na Fig. 4 que sinais de mesma intensidade, dentro (0°) e fora (180°) do feixe de captação, podem resultar em sinais de saída finais com diferença de 20dB. Ou seja, desde que o ruído não estacionário esteja fora do feixe de captação, ele será suprimido em 20dB em relação ao sinal útil. O alcance efetivo do feixe cônico SAM é de 2m. O ângulo do feixe cônico depende da diretividade do Uni-MIC e do ajuste dos parâmetros do FM2010.
Os sinais captados pelo Uni-MIC e Omni-MIC são amplificados por amplificadores de ganho programável (PGA), convertidos para digital (ADC) e filtrados passa-alta (HPF), sendo então enviados ao processador de voz (cancelamento de eco linear, cancelamento de eco não-linear, detecção VAD, supressão de ruído, ajuste de volume do microfone). Os dados de voz de saída são convertidos para analógico (DAC) e o sinal do microfone é enviado de forma single-ended da saída de linha (LOUT) para a entrada de microfone (MICIP/MIC1N) do processador de banda base analógica TWL3014/16. Após processamento no uplink, o sinal é enviado ao processador de banda base digital OMAP733/750. O sinal recebido pelo celular GSM é demodulado, decodificado de canal pelo OMAP733/750 e processado (confidencialidade), resultando em sinal de áudio digital enviado ao TWL3014/16. Após processamento no downlink, o sinal é enviado ao receptor (HSO) e ao fone de ouvido (EARP/EARN) - uma via para o receptor, outra para um amplificador externo que aciona o alto-falante de viva-voz. Simultaneamente, ambos os sinais são enviados às entradas de linha (LIN) do FM2010, convertidos para digital (ADC) e filtrados passa-alta (HPF) para se tornarem dados de voz, servindo como sinais de referência de eco para o processador de voz.
Fluxo de Controle do OMAP733/750 sobre o FM2010: A operação do FM2010 é realizada através da interface SHI e dos pinos de controle PWD, RESET, ANA_IRQ. Após a energização do aparelho, primeiro coloque PWD em nível alto e ANA_IRQ em nível baixo. Após o reset, envie parâmetros ao FM2010 (principalmente fonte de clock, frequência de clock, taxa de operação do DSP), então coloque o chip em modo de economia de energia. Como mostrado na Figura 8, o modo de chamada (conversação) acorda o FM2010 com base em chamadas recebidas, realizadas ou operações de gravação. Após o reset, de acordo com o modo mão-livre ou não, envie os parâmetros de modo correspondentes ao FM2010. Para o modo de supressão de ruído portátil (handset), envie: número de microfones, ganho do microfone, volume do microfone, parâmetros de cancelamento de eco e parâmetros VAD. Para o modo conferência viva-voz (speakerphone), envie: número de microfones, ganho do microfone, volume do microfone, inversão de microfone, parâmetros de cancelamento de eco (principalmente para quando a outra parte fala baixo, normal ou alto). O método de ajuste para o modo viva-voz pessoal (personal speakerphone) é basicamente o mesmo do modo portátil, mas os parâmetros de cancelamento de eco requerem mais ajustes. Após o fim da chamada, desative o CODEC do FM2010 e coloque-o em modo de economia de energia. Como mostrado na Figura 9, o modo de teste de áudio do celular GSM é usado principalmente para fins de teste do telefone. Ao entrar no modo de teste, o FM2010 opera em modo bypass (passagem direta). Neste estado, o DSP interno não processa o sinal de entrada do microfone. O sinal de entrada do Uni-MIC é amplificado pelo PGA e enviado diretamente à saída do amplificador LOUT. Os parâmetros de ganho do amplificador de microfone e do amplificador LOUT podem ser ajustados online via interface SHI.