Проектирование портативных коммуникационных устройств на основе технологии миниатюрных микрофонных решеток
Пространственные ограничения в конструкции портативных устройств ужесточаются: динамики становятся меньше, требования к громкости выше. Подавление различных шумов и эха (линейного и нелинейного при видеосвязи hands-free) для обеспечения четкой голосовой связи в шумной среде остается актуальной проблемой.
Чип FM2010 компании ForteMedia (США), основанный на запатентованной технологии миниатюрных микрофонных решеток (SAM), представляет собой низкопотребляющее и экономичное однокристальное решение. Оно использует пространственную фильтрацию, направленный захват звука на дальних/ближних дистанциях, подавление акустических шумов и устранение акустического эха. В статье рассматриваются ключевые аспекты проектирования SAM в портативных устройствах, основные функции FM2010 и типовое применение в GSM-телефонах.
Ключевые аспекты проектирования с технологией миниатюрных микрофонных решеток
Технология SAM использует два микрофона: Uni-MIC (основной) и Omni-MIC (референсный), расположенных спина-к-спине или бок-о-бок. Различия в физических характеристиках микрофонов, обработанные чипом FM2010, формируют коническую зону захвата звука (пространственный фильтр) для подавления нестационарных шумов. Характеристики микрофонов, конструкция и настройки FM2010 определяют направление, угол зоны захвата и эффективность подавления шумов.
1 Выбор микрофонов
Рекомендуются микрофоны 4mm Uni и Omni. Uni-MIC: чувствительность -40dB ±3dB; спад АЧХ на 300Hz <8.5dB, подъем на 3.4kHz <3.5dB; кардиоидная направленность; разница чувствительности 0°/90° >4dB, 0°/180° >10dB. Omni-MIC: чувствительность -40dB±1.5dB; плоская АЧХ 300Hz-3.4kHz. Рекомендованы модели: Uni-MIC B4015UL403 и Omni-MIC B4015AL-398 от IEA (Вэйфан).
2 Конструктивное исполнение
Ключевые аспекты: сохранение характеристик Uni-MIC, ориентация зоны захвата. При наличии функции hands-free необходимо учитывать виброизоляцию динамика/микрофона и герметичность. Направление зоны захвата определяет направление подавления шумов – полезный сигнал должен находиться внутри зоны, иначе он будет подавлен. Конструкция корпуса должна обеспечивать разницу чувствительности Uni-MIC 0°/180° >6dB после установки в держатель и корпус при сохранении АЧХ. Виброизоляция снижает нелинейное эхо, герметичность уменьшает линейное эхо, повышая соотношение сигнал/эхо.
3 Сигнал после обработки FM2010
Сравнение сигналов с микрофонов SAM и выходного сигнала FM2010 (рис.4). Источник звука (83dB SPL) на расстоянии 0.3м. Тестовые сигналы: Uni-MIC 0°/180°, Omni-MIC 0°/180°, выход (Lout) после обработки FM2010. Рис.4 показывает разницу в 20dB между сигналом внутри зоны захвата (0°) и вне ее (180°). Нестационарные шумы вне зоны подавляются на 20dB относительно полезного сигнала. Эффективная дальность действия конической зоны – 2м. Угол зоны зависит от направленности Uni-MIC и настроек FM2010.
Сигналы с Uni/Omni микрофонов усиливаются (PGA), оцифровываются (ADC), фильтруются ВЧ и обрабатываются (линейное/нелинейное подавление эха, VAD, шумоподавление, установка уровня). Оцифрованный аудиопоток преобразуется в аналоговый сигнал (DAC) и подается на вход MICIP/MIC1N базового процессора TWL3014/16, обрабатывается в uplink и передается на цифровой базовый процессор OMAP733/750. Принятый GSM-сигнал демодулируется, декодируется и обрабатывается в OMAP733/750. Цифровой аудиосигнал поступает на TWL3014/16, обрабатывается в downlink и выводится на наушник (HSO) или гарнитуру (EARP/EARN). Один канал подается на внешний усилитель для динамика hands-free. Оба сигнала также поступают на вход FM2010 (линейный вход), оцифровываются и фильтруются ВЧ, служа референсом для подавления эха.
Управление FM2010 через OMAP733/750: интерфейс SHI, выводы PWD, RESET, ANA_IRQ. После включения: PWD=высокий, ANA_IRQ=низкий, сброс, загрузка параметров (источник/частота тактирования, скорость DSP), переход в режим энергосбережения. Рис.8: в режиме вызова FM2010 активируется (входящий/исходящий вызов, запись), сбрасывается, загружаются параметры в зависимости от режима (handsfree/handset). Для режима шумоподавления (handset): количество микрофонов, усиление, уровень, параметры подавления эха и VAD. Для конференц-связи (handsfree): + параметры инверсии микрофонов, подавления эха (для тихой/нормальной/громкой речи). Настройка персонального режима handsfree аналогична handset, но требует больше корректировок подавления эха. После вызова FM2010 переводится в энергосбережение. Рис.9: тестовый режим GSM (для калибровки). FM2010 в режиме bypass (DSP отключен). Сигнал Uni-MIC усиливается (PGA) и напрямую выводится на LOUT. Усиление PGA/LOUT регулируется через SHI.
Чип FM2010 компании ForteMedia (США), основанный на запатентованной технологии миниатюрных микрофонных решеток (SAM), представляет собой низкопотребляющее и экономичное однокристальное решение. Оно использует пространственную фильтрацию, направленный захват звука на дальних/ближних дистанциях, подавление акустических шумов и устранение акустического эха. В статье рассматриваются ключевые аспекты проектирования SAM в портативных устройствах, основные функции FM2010 и типовое применение в GSM-телефонах.
Ключевые аспекты проектирования с технологией миниатюрных микрофонных решеток
Технология SAM использует два микрофона: Uni-MIC (основной) и Omni-MIC (референсный), расположенных спина-к-спине или бок-о-бок. Различия в физических характеристиках микрофонов, обработанные чипом FM2010, формируют коническую зону захвата звука (пространственный фильтр) для подавления нестационарных шумов. Характеристики микрофонов, конструкция и настройки FM2010 определяют направление, угол зоны захвата и эффективность подавления шумов.
1 Выбор микрофонов
Рекомендуются микрофоны 4mm Uni и Omni. Uni-MIC: чувствительность -40dB ±3dB; спад АЧХ на 300Hz <8.5dB, подъем на 3.4kHz <3.5dB; кардиоидная направленность; разница чувствительности 0°/90° >4dB, 0°/180° >10dB. Omni-MIC: чувствительность -40dB±1.5dB; плоская АЧХ 300Hz-3.4kHz. Рекомендованы модели: Uni-MIC B4015UL403 и Omni-MIC B4015AL-398 от IEA (Вэйфан).
2 Конструктивное исполнение
Ключевые аспекты: сохранение характеристик Uni-MIC, ориентация зоны захвата. При наличии функции hands-free необходимо учитывать виброизоляцию динамика/микрофона и герметичность. Направление зоны захвата определяет направление подавления шумов – полезный сигнал должен находиться внутри зоны, иначе он будет подавлен. Конструкция корпуса должна обеспечивать разницу чувствительности Uni-MIC 0°/180° >6dB после установки в держатель и корпус при сохранении АЧХ. Виброизоляция снижает нелинейное эхо, герметичность уменьшает линейное эхо, повышая соотношение сигнал/эхо.
3 Сигнал после обработки FM2010
Сравнение сигналов с микрофонов SAM и выходного сигнала FM2010 (рис.4). Источник звука (83dB SPL) на расстоянии 0.3м. Тестовые сигналы: Uni-MIC 0°/180°, Omni-MIC 0°/180°, выход (Lout) после обработки FM2010. Рис.4 показывает разницу в 20dB между сигналом внутри зоны захвата (0°) и вне ее (180°). Нестационарные шумы вне зоны подавляются на 20dB относительно полезного сигнала. Эффективная дальность действия конической зоны – 2м. Угол зоны зависит от направленности Uni-MIC и настроек FM2010.
Сигналы с Uni/Omni микрофонов усиливаются (PGA), оцифровываются (ADC), фильтруются ВЧ и обрабатываются (линейное/нелинейное подавление эха, VAD, шумоподавление, установка уровня). Оцифрованный аудиопоток преобразуется в аналоговый сигнал (DAC) и подается на вход MICIP/MIC1N базового процессора TWL3014/16, обрабатывается в uplink и передается на цифровой базовый процессор OMAP733/750. Принятый GSM-сигнал демодулируется, декодируется и обрабатывается в OMAP733/750. Цифровой аудиосигнал поступает на TWL3014/16, обрабатывается в downlink и выводится на наушник (HSO) или гарнитуру (EARP/EARN). Один канал подается на внешний усилитель для динамика hands-free. Оба сигнала также поступают на вход FM2010 (линейный вход), оцифровываются и фильтруются ВЧ, служа референсом для подавления эха.
Управление FM2010 через OMAP733/750: интерфейс SHI, выводы PWD, RESET, ANA_IRQ. После включения: PWD=высокий, ANA_IRQ=низкий, сброс, загрузка параметров (источник/частота тактирования, скорость DSP), переход в режим энергосбережения. Рис.8: в режиме вызова FM2010 активируется (входящий/исходящий вызов, запись), сбрасывается, загружаются параметры в зависимости от режима (handsfree/handset). Для режима шумоподавления (handset): количество микрофонов, усиление, уровень, параметры подавления эха и VAD. Для конференц-связи (handsfree): + параметры инверсии микрофонов, подавления эха (для тихой/нормальной/громкой речи). Настройка персонального режима handsfree аналогична handset, но требует больше корректировок подавления эха. После вызова FM2010 переводится в энергосбережение. Рис.9: тестовый режим GSM (для калибровки). FM2010 в режиме bypass (DSP отключен). Сигнал Uni-MIC усиливается (PGA) и напрямую выводится на LOUT. Усиление PGA/LOUT регулируется через SHI.