Thiết kế sản phẩm thông tin cầm tay dựa trên công nghệ microphone dãy mini
Hạn chế không gian cấu trúc sản phẩm cầm tay ngày càng nhiều, loa ngày càng nhỏ nhưng yêu cầu âm lượng ngày càng lớn. Việc loại bỏ nhiều loại tiếng ồn và tiếng vọng (tiếng vọng tuyến tính và phi tuyến tính khi gọi thoại rảnh tay video), đạt được thông tin thoại rõ ràng trong môi trường ồn là vấn đề cần giải quyết.
Chip FM2010 do ForteMedia (Mỹ) giới thiệu dựa trên công nghệ microphone dãy mini (SAM) độc quyền, sử dụng kỹ thuật lọc không gian, thu tín hiệu âm thanh định hướng xa/gần, ức chế tiếng ồn âm học, loại bỏ tiếng vọng âm học, là chip đơn hiệu suất thấp, chi phí thấp. Bài viết này sẽ giới thiệu các điểm chính trong thiết kế ứng dụng công nghệ microphone dãy mini vào sản phẩm thông tin cầm tay, chức năng chính của chip FM2010 và ứng dụng điển hình trong điện thoại GSM.
Điểm chính thiết kế công nghệ microphone dãy mini
Công nghệ SAM có thể sử dụng hai microphone: Uni-MIC (micro chính) và Omni-MIC (micro tham chiếu) để tạo thành microphone dãy mini, bố trí quay lưng hoặc cạnh-cạnh. Tận dụng sự khác biệt về đặc tính vật lý của hai loại microphone, sau khi xử lý qua chip FM2010, tạo thành chùm thu âm hình nón, hình thành bộ lọc không gian nhằm ức chế nhiễu không ổn định. Đặc tính microphone, thiết kế cấu trúc và điều chỉnh tham số FM2010 quyết định hướng, góc của chùm thu âm hình nón và hiệu quả ức chế nhiễu không ổn định.
Lựa chọn microphone
Khuyến nghị sử dụng microphone Uni và Omni 4mm. Uni-MIC có độ nhạy -40dB ±3dB; phổ tần suy giảm dưới 8.5dB tại 300Hz, tăng tối đa 3.5dB tại 3.4kHz; tính định hướng hình tim, khác biệt độ nhạy giữa 0° và 90° lớn hơn 4dB, giữa 0° và 180° lớn hơn 10dB. Omni-MIC có độ nhạy -40dB±1.5dB; phổ tần phẳng trong dải 300Hz～3.4kHz. Khuyến nghị sử dụng Uni-MIC B4015UL403 và Omni-MIC B4015AL-398 của IEA (Duyệt Châu, Sơn Đông).
Thiết kế cấu trúc
Vấn đề chính trong thiết kế cấu trúc là duy trì đặc tính Uni-MIC, hướng chùm thu âm hình nón. Nếu có chức năng thoại rảnh tay, cần xem xét thêm vấn đề cách rung loa, microphone và độ kín khí của microphone. Hướng của chùm thu âm hình nón quyết định hướng ức chế nhiễu không ổn định, do đó cần đảm bảo tín hiệu hữu ích nằm trong chùm thu, nếu không sẽ bị coi là nhiễu và bị ức chế. Vì vậy khi thiết kế hình dáng sản phẩm, cần cân nhắc kỹ hướng của Uni-MIC. Thiết kế cấu trúc phải đảm bảo sau khi lắp Uni-MIC vào ống microphone và toàn bộ vỏ máy, khác biệt độ nhạy giữa 0° và 180° lớn hơn 6dB, độ nhạy và đặc tính tần số về cơ bản không đổi. Cách rung microphone có thể giảm tiếng vọng phi tuyến, độ kín khí có thể giảm tiếng vọng tuyến tính, nâng cao tỷ số tín hiệu/tiếng vọng của hệ thống.
Tín hiệu sau khi xử lý qua FM2010
Hình 4 so sánh tín hiệu thu bởi microphone dãy mini và tín hiệu đầu ra sau khi xử lý qua FM2010. Nguồn âm cách microphone dãy mini 0.3m, cường độ âm 83dB (SPL). Tín hiệu thử nghiệm lần lượt là Uni-MIC 0° và 180°, Omni-MIC 0° và 180°, tín hiệu đầu ra đường truyền (Lout) sau khi xử lý qua FM2010 tín hiệu thu bởi microphone dãy mini tại 0° và 180°. Từ Hình 4 có thể thấy, với tín hiệu có kích thước tương đương, chênh lệch tín hiệu đầu ra cuối cùng giữa bên trong chùm thu (0°) và bên ngoài chùm thu (180°) có thể lên tới 20dB. Nghĩa là, chỉ cần nhiễu không ổn định nằm ngoài chùm thu, so với tín hiệu hữu ích, sẽ bị ức chế 20dB. Phạm vi hiệu quả của chùm thu hình nón SAM là 2m. Góc của chùm thu hình nón SAM phụ thuộc vào đặc tính định hướng của Uni-MIC và điều chỉnh tham số FM2010.
Tín hiệu thu bởi Uni-MIC và Omni-MIC được khuếch đại bởi bộ khuếch đại độ lợi khả trình, chuyển đổi ADC và lọc thông cao trước khi đưa vào bộ xử lý thoại (loại bỏ tiếng vọng tuyến tính, loại bỏ tiếng vọng phi tuyến, phát hiện VAD, xử lý khử nhiễu, thiết lập âm lượng microphone). Dữ liệu thoại đầu ra sau khi chuyển đổi DAC sẽ đưa tín hiệu microphone đầu ra đơn cực từ đầu ra đường truyền đến đầu vào microphone (MICIP/MIC1N) của bộ xử lý băng tần cơ sở analog TWL3014/16, qua xử lý đường truyền lên (uplink) đưa đến bộ xử lý băng tần cơ sở số OMAP733/750. Tín hiệu nhận được bởi điện thoại GSM sau khi giải điều chế, qua giải mã kênh bởi bộ xử lý băng tần cơ sở số OMAP733/750, xử lý bảo mật thu được tín hiệu âm thanh số đưa đến bộ xử lý băng tần cơ sở analog TWL3014/16. Sau xử lý đường truyền xuống (downlink), tín hiệu xuất ra từ tai nghe (HSO) và cổng tai nghe (EARP/EARN), một đường đến tai nghe, một đường đến amply ngoài để khuếch đại, điều khiển loa rảnh tay. Đồng thời hai tín hiệu được đưa đến đầu vào đường truyền của FM2010, chuyển đổi ADC và lọc thông cao thành dữ liệu thoại, đưa vào bộ xử lý thoại làm tín hiệu tham chiếu tiếng vọng.
Quy trình điều khiển FM2010 bởi OMAP733/750: Thực hiện thao tác với FM2010 thông qua giao diện SHI, các chân điều khiển PWD, RESET, ANA_IRQ. Sau khi bật nguồn toàn máy, trước tiên đặt PWD ở mức cao, ANA_IRQ ở mức thấp, sau khi reset, gửi tham số cho FM2010 (chủ yếu là nguồn xung nhịp, tần số xung nhịp, tốc độ hoạt động DSP), sau đó đưa chip vào chế độ tiết kiệm năng lượng. Như Hình 8, chế độ cuộc gọi dựa trên việc có cuộc gọi đến, đi hay thao tác ghi âm để đánh thức FM2010, sau reset sẽ gửi tham số chế độ tương ứng cho FM2010 dựa trên chế độ cầm tay/rảnh tay. Với chế độ khử ồn cầm tay, cần gửi số lượng microphone, độ lợi microphone, âm lượng microphone, tham số khử tiếng vọng và tham số VAD. Với chế độ hội nghị rảnh tay, cần gửi số lượng microphone, độ lợi microphone, âm lượng microphone, đảo microphone, tham số khử tiếng vọng (chủ yếu bao gồm khi đối phương nói nhỏ, nói bình thường, nói to). Phương pháp tinh chỉnh chế độ cá nhân chuyên dụng rảnh tay cơ bản giống chế độ khử ồn cầm tay, tham số khử tiếng vọng cần điều chỉnh nhiều hơn. Sau khi kết thúc cuộc gọi, tắt CODEC của FM2010, đặt FM2010 vào chế độ tiết kiệm năng lượng. Như Hình 9, chế độ kiểm tra âm thanh điện thoại GSM chủ yếu dùng cho mục đích kiểm tra điện thoại. Sau khi vào chế độ kiểm tra, FM2010 hoạt động ở chế độ thông qua trực tiếp (bypass), lúc này DSP bên trong không xử lý bất kỳ tín hiệu đầu vào microphone nào, tín hiệu đầu vào Uni-MIC sau khi khuếch đại bởi bộ khuếch đại độ lợi khả trình sẽ xuất trực tiếp từ bộ khuếch đại LOUT, có thể thông qua giao diện SHI để khuếch đại trực tuyến tham số độ lợi bộ khuếch đại microphone và LOUT.
Chip FM2010 do ForteMedia (Mỹ) giới thiệu dựa trên công nghệ microphone dãy mini (SAM) độc quyền, sử dụng kỹ thuật lọc không gian, thu tín hiệu âm thanh định hướng xa/gần, ức chế tiếng ồn âm học, loại bỏ tiếng vọng âm học, là chip đơn hiệu suất thấp, chi phí thấp. Bài viết này sẽ giới thiệu các điểm chính trong thiết kế ứng dụng công nghệ microphone dãy mini vào sản phẩm thông tin cầm tay, chức năng chính của chip FM2010 và ứng dụng điển hình trong điện thoại GSM.
Điểm chính thiết kế công nghệ microphone dãy mini
Công nghệ SAM có thể sử dụng hai microphone: Uni-MIC (micro chính) và Omni-MIC (micro tham chiếu) để tạo thành microphone dãy mini, bố trí quay lưng hoặc cạnh-cạnh. Tận dụng sự khác biệt về đặc tính vật lý của hai loại microphone, sau khi xử lý qua chip FM2010, tạo thành chùm thu âm hình nón, hình thành bộ lọc không gian nhằm ức chế nhiễu không ổn định. Đặc tính microphone, thiết kế cấu trúc và điều chỉnh tham số FM2010 quyết định hướng, góc của chùm thu âm hình nón và hiệu quả ức chế nhiễu không ổn định.
Lựa chọn microphone
Khuyến nghị sử dụng microphone Uni và Omni 4mm. Uni-MIC có độ nhạy -40dB ±3dB; phổ tần suy giảm dưới 8.5dB tại 300Hz, tăng tối đa 3.5dB tại 3.4kHz; tính định hướng hình tim, khác biệt độ nhạy giữa 0° và 90° lớn hơn 4dB, giữa 0° và 180° lớn hơn 10dB. Omni-MIC có độ nhạy -40dB±1.5dB; phổ tần phẳng trong dải 300Hz～3.4kHz. Khuyến nghị sử dụng Uni-MIC B4015UL403 và Omni-MIC B4015AL-398 của IEA (Duyệt Châu, Sơn Đông).
Thiết kế cấu trúc
Vấn đề chính trong thiết kế cấu trúc là duy trì đặc tính Uni-MIC, hướng chùm thu âm hình nón. Nếu có chức năng thoại rảnh tay, cần xem xét thêm vấn đề cách rung loa, microphone và độ kín khí của microphone. Hướng của chùm thu âm hình nón quyết định hướng ức chế nhiễu không ổn định, do đó cần đảm bảo tín hiệu hữu ích nằm trong chùm thu, nếu không sẽ bị coi là nhiễu và bị ức chế. Vì vậy khi thiết kế hình dáng sản phẩm, cần cân nhắc kỹ hướng của Uni-MIC. Thiết kế cấu trúc phải đảm bảo sau khi lắp Uni-MIC vào ống microphone và toàn bộ vỏ máy, khác biệt độ nhạy giữa 0° và 180° lớn hơn 6dB, độ nhạy và đặc tính tần số về cơ bản không đổi. Cách rung microphone có thể giảm tiếng vọng phi tuyến, độ kín khí có thể giảm tiếng vọng tuyến tính, nâng cao tỷ số tín hiệu/tiếng vọng của hệ thống.
Tín hiệu sau khi xử lý qua FM2010
Hình 4 so sánh tín hiệu thu bởi microphone dãy mini và tín hiệu đầu ra sau khi xử lý qua FM2010. Nguồn âm cách microphone dãy mini 0.3m, cường độ âm 83dB (SPL). Tín hiệu thử nghiệm lần lượt là Uni-MIC 0° và 180°, Omni-MIC 0° và 180°, tín hiệu đầu ra đường truyền (Lout) sau khi xử lý qua FM2010 tín hiệu thu bởi microphone dãy mini tại 0° và 180°. Từ Hình 4 có thể thấy, với tín hiệu có kích thước tương đương, chênh lệch tín hiệu đầu ra cuối cùng giữa bên trong chùm thu (0°) và bên ngoài chùm thu (180°) có thể lên tới 20dB. Nghĩa là, chỉ cần nhiễu không ổn định nằm ngoài chùm thu, so với tín hiệu hữu ích, sẽ bị ức chế 20dB. Phạm vi hiệu quả của chùm thu hình nón SAM là 2m. Góc của chùm thu hình nón SAM phụ thuộc vào đặc tính định hướng của Uni-MIC và điều chỉnh tham số FM2010.
Tín hiệu thu bởi Uni-MIC và Omni-MIC được khuếch đại bởi bộ khuếch đại độ lợi khả trình, chuyển đổi ADC và lọc thông cao trước khi đưa vào bộ xử lý thoại (loại bỏ tiếng vọng tuyến tính, loại bỏ tiếng vọng phi tuyến, phát hiện VAD, xử lý khử nhiễu, thiết lập âm lượng microphone). Dữ liệu thoại đầu ra sau khi chuyển đổi DAC sẽ đưa tín hiệu microphone đầu ra đơn cực từ đầu ra đường truyền đến đầu vào microphone (MICIP/MIC1N) của bộ xử lý băng tần cơ sở analog TWL3014/16, qua xử lý đường truyền lên (uplink) đưa đến bộ xử lý băng tần cơ sở số OMAP733/750. Tín hiệu nhận được bởi điện thoại GSM sau khi giải điều chế, qua giải mã kênh bởi bộ xử lý băng tần cơ sở số OMAP733/750, xử lý bảo mật thu được tín hiệu âm thanh số đưa đến bộ xử lý băng tần cơ sở analog TWL3014/16. Sau xử lý đường truyền xuống (downlink), tín hiệu xuất ra từ tai nghe (HSO) và cổng tai nghe (EARP/EARN), một đường đến tai nghe, một đường đến amply ngoài để khuếch đại, điều khiển loa rảnh tay. Đồng thời hai tín hiệu được đưa đến đầu vào đường truyền của FM2010, chuyển đổi ADC và lọc thông cao thành dữ liệu thoại, đưa vào bộ xử lý thoại làm tín hiệu tham chiếu tiếng vọng.
Quy trình điều khiển FM2010 bởi OMAP733/750: Thực hiện thao tác với FM2010 thông qua giao diện SHI, các chân điều khiển PWD, RESET, ANA_IRQ. Sau khi bật nguồn toàn máy, trước tiên đặt PWD ở mức cao, ANA_IRQ ở mức thấp, sau khi reset, gửi tham số cho FM2010 (chủ yếu là nguồn xung nhịp, tần số xung nhịp, tốc độ hoạt động DSP), sau đó đưa chip vào chế độ tiết kiệm năng lượng. Như Hình 8, chế độ cuộc gọi dựa trên việc có cuộc gọi đến, đi hay thao tác ghi âm để đánh thức FM2010, sau reset sẽ gửi tham số chế độ tương ứng cho FM2010 dựa trên chế độ cầm tay/rảnh tay. Với chế độ khử ồn cầm tay, cần gửi số lượng microphone, độ lợi microphone, âm lượng microphone, tham số khử tiếng vọng và tham số VAD. Với chế độ hội nghị rảnh tay, cần gửi số lượng microphone, độ lợi microphone, âm lượng microphone, đảo microphone, tham số khử tiếng vọng (chủ yếu bao gồm khi đối phương nói nhỏ, nói bình thường, nói to). Phương pháp tinh chỉnh chế độ cá nhân chuyên dụng rảnh tay cơ bản giống chế độ khử ồn cầm tay, tham số khử tiếng vọng cần điều chỉnh nhiều hơn. Sau khi kết thúc cuộc gọi, tắt CODEC của FM2010, đặt FM2010 vào chế độ tiết kiệm năng lượng. Như Hình 9, chế độ kiểm tra âm thanh điện thoại GSM chủ yếu dùng cho mục đích kiểm tra điện thoại. Sau khi vào chế độ kiểm tra, FM2010 hoạt động ở chế độ thông qua trực tiếp (bypass), lúc này DSP bên trong không xử lý bất kỳ tín hiệu đầu vào microphone nào, tín hiệu đầu vào Uni-MIC sau khi khuếch đại bởi bộ khuếch đại độ lợi khả trình sẽ xuất trực tiếp từ bộ khuếch đại LOUT, có thể thông qua giao diện SHI để khuếch đại trực tuyến tham số độ lợi bộ khuếch đại microphone và LOUT.