隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展,，使用數(shù)字音頻技術(shù)的電子產(chǎn)品越來越多,。數(shù)字音頻接口成為發(fā)展的潮流，采用脈沖密度調(diào)制（PDM）接口的ECM和MEMS數(shù)字麥克風(fēng)也孕育而生,。目前,，ECM和MEMS數(shù)字麥克風(fēng)已經(jīng)成為便攜式筆記本電腦拾音設(shè)備的主流。
數(shù)字ECM或MEMS麥克風(fēng)和傳統(tǒng)的ECM麥克風(fēng)相比,，有著不可取代的優(yōu)勢,。首先，移動設(shè)備向小型化數(shù)字化發(fā)展,，急需數(shù)字拾音器件和技術(shù),；第二，設(shè)備包含的功能單元越來越多，如筆記本電腦,，集成了藍牙和WiFi無線功能,，麥克風(fēng)距離這些干擾源很近，設(shè)備對抗擾要求越來越高,；第三,，三網(wǎng)合一的發(fā)展，需要上網(wǎng),，視頻和語音通信可以同時進行,，這在移動設(shè)備中通常會遇到環(huán)境噪聲和回聲的影響；第四,，從提高生產(chǎn)效率角度,，希望對麥克風(fēng)采用SMT焊接,。數(shù)字麥克風(fēng)適合SMT焊接,，可以解決系統(tǒng)各種射頻干擾對語音通信產(chǎn)生的噪聲，富迪科技的數(shù)字陣列麥克風(fēng)拾音技術(shù)可以抑制和消除通話時的回聲和環(huán)境噪聲,，數(shù)字接口方便同數(shù)字系統(tǒng)的連接,。
模擬麥克風(fēng)和數(shù)字麥克風(fēng)
麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)：ECM模擬麥克風(fēng)通常是由振膜，背極板,，結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和屏蔽外殼組成,。振膜是涂有金屬的薄膜。背極板由駐極體材料做成,，經(jīng)過高壓極化以后帶有電荷,，兩者形成平板電容。當(dāng)聲音引起振膜振動,，使兩者距離產(chǎn)生變化,，從而引起電壓的變化，完成聲電轉(zhuǎn)換,。利用結(jié)型場效應(yīng)管用來阻抗變換和放大信號,，有些高靈敏度麥克風(fēng)采用運放來提高麥克風(fēng)靈敏度（見圖1a）。ECM數(shù)字麥克風(fēng)通常是由振膜,，背極板,，數(shù)字麥克風(fēng)芯片和屏蔽外殼組成，數(shù)字麥克風(fēng)芯片主要由緩沖級,，放大級,，低通濾波器，抗模數(shù)轉(zhuǎn)換組成,。緩沖級完成阻抗變換,，放大級放大信號，低通濾波濾除高頻信號，防止模數(shù)轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生混疊,，模數(shù)轉(zhuǎn)換將放大的模擬信號轉(zhuǎn)換成脈沖密度調(diào)制（PDM）信號,，通常采用過采樣的1位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換（見圖1b）。MEMS模擬麥克風(fēng)主要由MEMS傳感器,，充電泵,，緩沖放大器，屏蔽外殼組成,。參照圖1c,， MEMS傳感器由半導(dǎo)體工藝制成的振膜，背極板和支架構(gòu)成,，通過充電泵給背極板加上適當(dāng)?shù)臉O化偏壓,。緩沖放大器完成阻抗變換，放大信號,。MEMS數(shù)字麥克風(fēng)主要由MEMS傳感器,，充電泵，數(shù)字麥克風(fēng)芯片和屏蔽外殼組成,，參照圖1d,。為了提高麥克風(fēng)抗干擾能力，麥克風(fēng)內(nèi)部電源和地之間都增加了小的濾波電容,，通常是10pF和33pF并聯(lián),。
圖1a ECM模擬麥克風(fēng)
圖1b ECM數(shù)字麥克風(fēng)
圖1c MEMS模擬麥克風(fēng)
圖1d MEMS數(shù)字麥克風(fēng)
麥克風(fēng)偏置電路：通過手機中麥克風(fēng)電路的典型應(yīng)用，比較一下ECM模擬麥克風(fēng),，MEMS模擬麥克風(fēng)和數(shù)字麥克風(fēng)的差異,。圖2a為ECM模擬麥克風(fēng)的偏置電路。為了減小干擾,，手機中的麥克風(fēng)電路采用差分輸出,。麥克風(fēng)電源經(jīng)過R5電阻C9電容濾波以后，通過R6供給麥克風(fēng)內(nèi)部的場效應(yīng)管,，由R6,、R9差分組成差分輸出電路。C15和R6,、R9以及麥克風(fēng)的輸出阻抗組成低通濾波器,，用來濾除超過語音頻段的高頻信號，防止后級電路模數(shù)裝換時產(chǎn)生混疊,。C13,、C17隔離直流偏置，R7,、R8用來防止電容對芯片輸入端的放電沖擊,。其余的33pF電容用來濾除射頻干擾,。麥克風(fēng)輸出到基帶芯片的模擬輸入端采用差分布線，減少噪聲和射頻干擾（見圖2b）,。MEMS麥克風(fēng)的偏置電路,。麥克風(fēng)電源經(jīng)過R1電阻C2電容濾波以后，供給MEMS麥克風(fēng)內(nèi)置的緩沖放大器和充電泵電路,。MEMS拾取的聲音信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號,，經(jīng)過緩沖放大后輸出，經(jīng)過C5,、R2,、C6組成的π型濾波器濾波，偽差分電路布線到基帶芯片,。圖2c為數(shù)字麥克風(fēng)的偏置電路,。麥克風(fēng)電源經(jīng)過簡單濾波以后供給麥克風(fēng)。聲音轉(zhuǎn)換成模擬電信號經(jīng)過內(nèi)部緩沖放大,，在時鐘信號（SCL）的驅(qū)動,，下最后模數(shù)轉(zhuǎn)換成1位的PDM音頻數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)引腳（DATA）輸出,。
圖2a ECM模擬麥克風(fēng)電路
圖2b MEMS模擬麥克風(fēng)電路
圖2c ECM/MEMES數(shù)字麥克風(fēng)電路
各種類型麥克風(fēng)比較：表1歸結(jié)出ECM模擬麥克風(fēng),，ECM數(shù)字麥克風(fēng)，MEMS模擬麥克風(fēng)和MEMS數(shù)字麥克風(fēng)的性能指標(biāo)和各自的優(yōu)缺點,。
脈沖密度調(diào)制（PDM）信號和數(shù)字麥克風(fēng)接口：
模擬信號轉(zhuǎn)換成PCM信號，根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則,，通常必須用大于2倍的固定采樣頻率對模擬信號采樣,。模數(shù)裝換，每個采樣點可以用多位比特的數(shù)據(jù)表示,。比特數(shù)越多,，采樣精度越高，失真越小,，但是電路會復(fù)雜,，成本很高，不適合低成本數(shù)字麥克風(fēng)應(yīng)用,。如圖3b,，數(shù)字麥克風(fēng)通常是采用1位δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對模擬信號進行過采樣（只能用于帶寬有限的信號,，不適合寬頻信號,，例如視頻信號），采樣率由外部時鐘提供,。過采樣可使量化噪聲遠離被采樣的音頻信號,。離信號主頻fs越近，噪聲幅度越小。同時對抗混疊濾波器的要求大大降低,，可以到達很高的精度,。
圖3 PDM信號
數(shù)字麥克風(fēng)通常由5個引腳，分別是電源（VDD）,，地（GND）,，時鐘（CLK），數(shù)據(jù)（DAT）和通道選擇（L/R）,。數(shù)字麥克風(fēng)接口芯片需要提供麥克風(fēng)電源（需要和系統(tǒng)電平匹配）和外部時鐘信號（1.024～3.074MHz）,，數(shù)字麥克風(fēng)在獲取時鐘信號后，從省電狀態(tài)轉(zhuǎn)到正常工作狀態(tài),。拾取聲音信號過采樣轉(zhuǎn)換成脈沖密度調(diào)制（PDM）的數(shù)據(jù)流（信號幅度變化越劇烈,，脈沖密度越密）送給處理芯片，芯片內(nèi)部的抽取濾波器（Decimator）下采樣（Down sample）并低通濾波,，將高頻低位流的信號轉(zhuǎn)換成低頻高位流的PCM信號,，同時濾除量化噪聲。PDM接口可以掛接兩個數(shù)字麥克,，共享時鐘和數(shù)據(jù)線,，通過通道選擇（L/R）選擇時鐘高和低時是哪個通道的麥克風(fēng)。圖4為數(shù)字麥克風(fēng)的輸出信號,。在時鐘為高時,，L/R=0的麥克風(fēng)（MIC0）數(shù)據(jù)線保持高阻狀態(tài)，傳輸L/R=1的麥克風(fēng)（MIC1）的數(shù)據(jù),；在時鐘為低時,，L/R=1的麥克風(fēng)（MIC1）數(shù)據(jù)線保持高阻狀態(tài)，傳輸L/R=0的麥克風(fēng)（MIC0）的數(shù)據(jù),。
圖4 數(shù)字麥克風(fēng)的輸出信號
數(shù)字麥克風(fēng)陣列在手機平臺的應(yīng)用
2個數(shù)字麥克風(fēng)使用同一組電源,，電源電壓同語音處理芯片F(xiàn)M34-395（見圖5）。數(shù)字麥克風(fēng)陣列通過L/R引腳配置成成主麥克風(fēng)（L/R接地）和參考麥克風(fēng)（L/R接電源）,，拾取的近端信號經(jīng)過數(shù)字麥克風(fēng)放大并轉(zhuǎn)換成PDM信號連接到語音處理芯片F(xiàn)M34-395芯片,。兩路麥克風(fēng)信號經(jīng)過下采樣裝換成16位的PCM信號，放大濾波以后進行相關(guān)處理,。
圖5 數(shù)字麥克風(fēng)陣列在MTK手機平臺典型應(yīng)用
手持模式下,，根據(jù)數(shù)字麥克風(fēng)陣列拾取的近端信號差異，對近端語音做穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)噪聲抑制和線性回聲消除處理,， 處理完成的信號經(jīng)過PCM引腳（TxDp）送到基帶芯片（PCM IN引腳）作為上行信號,，送并產(chǎn)生側(cè)音送到受話器（Receiver）。下行信號通過基帶芯片（PCM OUT引腳）送到FM34-395的輸入引腳（RxDc）,，經(jīng)過噪聲抑制,，并根據(jù)數(shù)字麥克風(fēng)陣列提供的噪聲信息判斷是否啟動清晰語音引擎來亮化受話器（Receiver）的聲音,，使用戶在噪聲環(huán)境下依然可以聽得清，同時作為回聲消除的參考信號,。
免提模式下,，根據(jù)麥克風(fēng)陣列拾取的回聲信號差異，對夾雜聲學(xué)回聲的近端語音進行消除處理,， 處理完的語音做穩(wěn)態(tài)噪聲抑制處理,，輸出信號經(jīng)過PCM引腳（TxDp）送到基帶芯片（PCM IN引腳）作為上行信號。下行信號通過基帶芯片（PCM OUT引腳）送到FM34-395的輸入引腳（RxDc）,，經(jīng)過噪聲抑制,，并根據(jù)數(shù)字麥克風(fēng)陣列提供的噪聲信息判斷是否啟動清晰語音引擎來亮化受話器（Receiver）的聲音，使用戶在噪聲環(huán)境下依然可以聽得清,，同時作為回聲消除的參考信號,。
數(shù)字麥克風(fēng)陣列的擺放：主麥克風(fēng)擺在手機正面下方或下側(cè)面，就是盡量靠近使用者嘴部,，參考麥克風(fēng)擺在手機背面上方或上側(cè)面,，即是靠近使用者的耳朵，這樣在手持模式下近端語音數(shù)字麥克風(fēng)陣列的兩個麥克風(fēng)拾取的信號有足夠的差別,，而較遠的噪聲沒有差別,，利用數(shù)字語音處理器FM34-395處理，就可以實現(xiàn)定向定距離拾音,，抑制各種環(huán)境噪聲,。
數(shù)字麥克風(fēng)陣列在筆記本電腦中的應(yīng)用
圖6為數(shù)字麥克風(fēng)陣列在筆記本電腦的典型應(yīng)用。通常數(shù)字麥克風(fēng)陣列和攝像頭模組一起,，安裝在筆記本電腦顯示屏上方中央,，這樣使用者在視頻聊天或通話時，聲源位于數(shù)字麥克風(fēng)陣列拾音束內(nèi),，可以傳送出去，而兩旁的噪聲位于拾音束外被抑制,，實現(xiàn)清晰語音通信,。陣列中的數(shù)字麥克風(fēng)，可以按10.5mm擺放作為小型數(shù)字麥克風(fēng)陣列,，也可以采用距離70～210mm的寬陣列,，根據(jù)麥克風(fēng)擺放配置相應(yīng)的軟件。
圖6 數(shù)字麥克風(fēng)陣列在筆記本電腦的典型應(yīng)用
數(shù)字麥克風(fēng)拾取轉(zhuǎn)換成PDM格式的信號通過線纜連接到筆記本電腦的高清音頻編解碼器（HD Audio Codec）聲卡的數(shù)字麥克風(fēng)接口,，下采樣轉(zhuǎn)換成兩路音頻信號,，送到位于高清音頻編解碼器驅(qū)動層的小型麥克風(fēng)陣列處理軟件（SAMSoft）處理，實現(xiàn)噪聲抑制（Noise Suppression）,，回聲消除（Acoustic Echo Cancellation）,，遠距離拾音（Far Field Pick Up）敲擊鍵盤噪聲抑制等功能,。