數(shù)字麥克風(fēng)基礎(chǔ)知識(shí)

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,數(shù) 字 麥 克 風(fēng)基 礎(chǔ) 知 識(shí) 培 訓(xùn),模擬麥克風(fēng)和數(shù)字麥克風(fēng)的框架結(jié)構(gòu),前面的一幅圖片是筆記本電腦中模擬麥克風(fēng)和數(shù)字麥克風(fēng)的框架圖，由圖我們可以看出，數(shù)字麥克風(fēng)較模擬麥克風(fēng)的優(yōu)勢(shì)。,理論上將麥克風(fēng)放在筆記本的翻蓋中效果最好，然而這對(duì)電腦設(shè)計(jì)者是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的筆記本電腦的麥克風(fēng)處在電腦底座中，從機(jī)械和聲學(xué)噪聲的角度看，這是一個(gè)非常惡劣的環(huán)境，這就要求麥克風(fēng)的性能很好。數(shù)字麥克風(fēng)輸出具有抵抗射頻和電磁干擾的能力，

2、能夠避免麥克風(fēng)性能受到電源紋波的影響。在一個(gè)較安靜的環(huán)境中使用一個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)足夠了。然而，在嘈雜的的環(huán)境中，一種更有效的方案是嵌入兩個(gè)或多個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)以形成麥克風(fēng)陣列。麥克風(fēng)陣列可以結(jié)合波束形成、噪聲抑制及聲學(xué)回聲消除算法來(lái)使用，這種算法可以顯著改善語(yǔ)音輸入質(zhì)量。微軟公司下一代操作系統(tǒng),Windows Vista,將包含這些類(lèi)型的算法，以用于實(shí)時(shí)通信應(yīng)用。,為適應(yīng)這一發(fā)展要求，我們公司也開(kāi)發(fā)了自己的數(shù)字麥克風(fēng)。在此我們簡(jiǎn)單介紹一些數(shù)字麥克風(fēng)的基礎(chǔ)知識(shí),。,數(shù)字麥克風(fēng)基礎(chǔ)知識(shí),主要內(nèi)容：,數(shù)字電路和模擬電路的基本概念,數(shù)字信號(hào)的表示方法,FET,和數(shù)字芯片,模數(shù)轉(zhuǎn)換器（,ADC,）的基礎(chǔ)知識(shí),數(shù)

3、字麥克風(fēng)的參數(shù)與測(cè)試方法,1,、數(shù)字電路和模擬電路的基本概念,電子系統(tǒng)，通常是指由若干相互聯(lián)接、相互作用的基本電路組成的具有特定功能的電路整體。通常電子電路可以分為模擬電子電路和數(shù)字電子電路。在此先介紹一下數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)這兩個(gè)概念。,在觀察自然界中形形色色的物理量時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，盡管它們的性質(zhì)各異，但就其變化規(guī)律的特點(diǎn)而言，不外乎兩大類(lèi)。,其中一類(lèi)物理量的變化在時(shí)間上或數(shù)值上則是連續(xù)的。這一類(lèi)物理量叫做模擬量，把表示模擬量的信號(hào)叫做模擬信號(hào)，并把工作在模擬信號(hào)下的電子電路稱為模擬電路。,t,例如：溫度、正弦電壓。,另一類(lèi)物理量的變化在時(shí)間上和數(shù)量上都是離散的。也就是說(shuō)，它們的變化在時(shí)間上是不連

4、續(xù)的，總在一系列離散的瞬間發(fā)生。同時(shí)，它們的數(shù)值大小和每次的增減變化都是在某一個(gè)數(shù)量單位的整數(shù)倍，而小于這個(gè)最小數(shù)量單位的數(shù)值沒(méi)有任何物理意義。這一類(lèi)物理量叫做數(shù)字量，把表示數(shù)字量的信號(hào)叫做數(shù)字信號(hào)，并且把工作在數(shù)字信號(hào)下的電子電路叫做數(shù)字電路。具體講，數(shù)字電路就是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸、變換、運(yùn)算及處理的電子電路。,例如：人數(shù)、物件的個(gè)數(shù)。,1,、數(shù)字電路和模擬電路的基本概念,t,數(shù)字電路較模擬電路的優(yōu)點(diǎn),精確度較高；,有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力；,具有算術(shù)運(yùn)算能力和邏輯運(yùn)算能力，可進(jìn)行邏輯推理和 邏輯判斷；,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造和集成；,使用方便靈活。,目前我們公司大量生

5、產(chǎn)的麥克風(fēng)的工作原理都是基于模擬電路的。然而在我們周?chē)?，到處可以看到?shù)字電視等等數(shù)字化產(chǎn)品。為適應(yīng)電子產(chǎn)品的數(shù)字化要求，我們公司也正在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)自己的數(shù)字麥克風(fēng)產(chǎn)品,。,1,、數(shù)字電路和模擬電路的基本概念,2,、數(shù)字信號(hào)的表示方法,-,數(shù)制和碼制,2.1,數(shù)制,用數(shù)字量表示物理量的大小時(shí)，僅用一位數(shù)碼往往不夠用，因此經(jīng)常需要用進(jìn)位計(jì)數(shù)的方法組成多位數(shù)碼使用。我們把多位數(shù)碼中每一位的構(gòu)成方法以及從低位到高位的進(jìn)位規(guī)則稱為數(shù)制。,在數(shù)字電路中經(jīng)常使用的計(jì)數(shù)進(jìn)制除了十進(jìn)制外，還經(jīng)常使用二進(jìn)制和十六進(jìn)制,。,2.1,數(shù)制,2.1.1,十進(jìn)制,十進(jìn)制是日常生活和工作中最常使用的進(jìn)位計(jì)數(shù)制。在十進(jìn)制中，每位

6、有,09,十個(gè)數(shù)碼，所以計(jì)數(shù)的基數(shù)是十。超過(guò),9,的數(shù)必須用多位數(shù)表示，其中低位和相臨的高位之間的關(guān)系是“逢十進(jìn)一”，故稱為十進(jìn)制。例如：,43.5=410,1,+3 10,0,+5 10,-1,所以任何一個(gè)十進(jìn)制數(shù)都可以用式,(1),表示,:D=K,i,10,i,式,(1),2.1.2,二進(jìn)制,目前在數(shù)字電路中應(yīng)用最廣的是二進(jìn)制。在二進(jìn)制數(shù)中，每一位僅有,0,和,1,兩個(gè)可能的數(shù)碼，所以計(jì)數(shù)基數(shù)為,2,。低位和相臨高位的進(jìn)位關(guān)系是“逢二進(jìn)一”，故稱為二進(jìn)制,根據(jù)式,(1),，我們可知任何一個(gè)二進(jìn)制數(shù),D,都可以用式,(2),來(lái)表示：,D=K,i,2,i,式,(2),例如,(1010),2,。

7、我們也可以用,B,來(lái)代替腳注,2,。,2.1.3,十六進(jìn)制,十六進(jìn)制的每一位有十六個(gè)不同的數(shù)碼，分別用,09,、,A(10),、,B(11),、,C(12),、,D(13),、,E(14),、,F(15),表示。低位和相臨高位的進(jìn)位關(guān)系是“逢十六進(jìn)一”，故稱為十六進(jìn)制,.,任何一個(gè)二進(jìn)制數(shù),D,都可以用式,(3),來(lái)表示：,D=K,i,16,i,式,(3),如：,(1E2B),16,通常也用,H,表示十六進(jìn)制,如,(1E2B),16,也可寫(xiě)成,1E2BH,。,2.1,數(shù)制,2.1,數(shù)制,不同的數(shù)碼不僅可以表示數(shù)量的不同大小，而且還能用來(lái)表示不同的事物。在后一種情況下，這些數(shù)碼已沒(méi)有數(shù)量的含義，

8、只是表示不同事物的代號(hào)而已。這些數(shù)碼稱為代碼。,例如在舉行長(zhǎng)跑比賽時(shí)，為便于識(shí)別運(yùn)動(dòng)員，通常給每個(gè)運(yùn)動(dòng)員編一個(gè)號(hào)碼。顯然這些號(hào)碼僅僅表示不同的運(yùn)動(dòng)員，已失去了數(shù)量的大小的含義。,為了便于記憶和處理，在編制代碼時(shí)總要遵循一定的規(guī)則，這些規(guī)則就叫做碼制。通常將這些代碼稱為二,十進(jìn)制代碼，簡(jiǎn)稱,BCD,碼，通常所用的,BCD,碼有,8421,碼，余,3,碼，,2421,碼，,5211,碼和余,3,循環(huán)碼。,2.2,碼制,0000 0011 0000 0000 0010 0001 0100 0001 0001 0110 0010 0101 0010 0010 0111 0011 0110 0011 0

9、011 0101 0100 0111 0100 0100 0100 0101 1000 1011 1000 1100 0110 1001 1100 1001 1101 0111 1010 1101 1010 1111 1000 1011 1110 1011 1110 1001 1100 1111 1100 1010,8421,碼 余,3,碼,2421,碼,5421,碼 余,3,循環(huán)碼,編碼,0123456789,權(quán),8421,2421,5421,十進(jìn),種類(lèi),制數(shù),幾種常見(jiàn)的,BCD,碼,8421BCD,碼和十進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換是,直接按位（按組）轉(zhuǎn)換,。,2.2,碼制,3,、,FET,和數(shù)字芯片,3

10、.1 FET(Field Effect Transistor),場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制其電流大小的半導(dǎo)體器件。這種器件不僅兼有體積小、重量輕、耗電省、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻而且還有輸入射能力強(qiáng)和制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而大大地?cái)U(kuò)展了它的應(yīng)用范圍，特別是在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。,根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，場(chǎng)效應(yīng)管可分為兩大類(lèi)：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（,JFET,）和金屬,-,氧化物,-,半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（,MOSFET,）。,JFET,是利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行工作的，也稱為體內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件。我們通常所用的就是這一種。,圖一為,FET,的表示符號(hào),圖二為我們生產(chǎn)中

11、使用的一種,FET,的模型,.,我們可以看出：通常我們使用的,FET,有柵極,源極,漏極三個(gè)極，能夠完成輸入、輸出和放大的功能。而同樣大小的數(shù)字芯片呢,?,g,d,s,圖 一,圖 二,3.1 FET,3.2,數(shù)字芯片,下圖為一簡(jiǎn)單的數(shù)字芯片,在與普通,FET,一樣大小的面積上,但是它有輸入,輸出,接地,時(shí)鐘,數(shù)據(jù)選擇,左右聲道選擇等功能,.,其中時(shí)鐘端,(CLOCK),有設(shè)置睡眠模式的功能,;,左右聲道選擇端,(L/R),可以選擇左右聲道,.,這些是較現(xiàn)有批量生產(chǎn)的麥克風(fēng)的優(yōu)勢(shì)所在,.,DATA(,數(shù)據(jù),),GND(,接地,),CLOCK(,時(shí)鐘,),VDD(,輸入電壓,),IN(,輸入,),

12、L/R(,左右聲道選擇,),下圖為前面所述數(shù)字芯片工作的電路圖,由圖可以看出,該數(shù)字芯片由一個(gè)前置放大器,一個(gè),解調(diào)器及輸入,(IN),時(shí)鐘,(CLOCK),數(shù)據(jù),(DATA),左右聲道選擇,(L/R),接地,(GND),輸入電壓,(VDD),六個(gè)極,.,可以完成輸入,輸出,數(shù)據(jù)選擇,左右聲道選擇以及時(shí)鐘等功能,.,3.2,數(shù)字芯片,輸入電壓,VDD,輸入,接地,左右聲道選擇,數(shù)據(jù),時(shí)鐘,3.2,數(shù)字芯片,下面我們用模似麥克風(fēng)的線路圖來(lái)作個(gè)比較：,3.3,數(shù)字麥克風(fēng)的優(yōu)點(diǎn),減少元件成本和數(shù)目,:,不需要外部前置放大器,簡(jiǎn)單的扁線連接,增加麥克風(fēng)布局的靈活性,對(duì),RF,和,EM(,射頻和電磁干擾

13、,),免除的數(shù)字輸出,麥克風(fēng)或連線沒(méi)有空間上的限制,采用先進(jìn)軟件可減少離軸環(huán)境影響,波束成型,噪聲抑制,回聲消除,在前面我們就已經(jīng)知道數(shù)字電路具有高集成，簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。,然而數(shù)字芯片在給我們帶來(lái)方便的同時(shí),也給我們帶來(lái)了一些問(wèn)題,.,我們發(fā)出的聲音,和在我們周?chē)苈?tīng)到的聲音都是模擬信號(hào),這些信號(hào)在數(shù)字電路中是不能傳輸?shù)?而數(shù)字電路中只能傳輸數(shù)字信號(hào),.,這就要求我們要先把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),.,現(xiàn)在人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的工具,:,模數(shù)轉(zhuǎn)換器,(ADC).,下面我們簡(jiǎn)單了解一下模數(shù)轉(zhuǎn)換器,(ADC),的一些基本知識(shí),.,3.3,數(shù)字麥克風(fēng)的優(yōu)點(diǎn),4,、模數(shù)轉(zhuǎn)換器,(ADC)

14、,為了能夠使用數(shù)字電路處理模擬信號(hào),必須把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào),方能送入數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理,.,同時(shí)也要把處理后得到的數(shù)字信號(hào)在轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào),作為最后的輸出,.,我們把前一種從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換叫做模,-,數(shù)轉(zhuǎn)換,或簡(jiǎn)稱,A/D;,把后一種從數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換叫做數(shù),-,模轉(zhuǎn)換,或簡(jiǎn)稱,D/A.,同時(shí)把,A/D,或,D/A,轉(zhuǎn)換的電路叫做模數(shù)轉(zhuǎn)換器,(,簡(jiǎn)稱,ADC),或數(shù)模轉(zhuǎn)換器,(,簡(jiǎn)稱,DAC),傳感器,(,溫度、壓力、流量等,模擬量,）,A/D,計(jì)算機(jī),（數(shù)字量）,顯示器,D/A,執(zhí)行部件,（模擬量控制）,打印機(jī),能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，

15、簡(jiǎn)稱,A/D,轉(zhuǎn)換器或,ADC,。,能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱,D/A,轉(zhuǎn)換器或,DAC,。,ADC,和,DAC,是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口,.,ADC,和,DAC,的應(yīng)用：,4.1,模數(shù)轉(zhuǎn)換器基本工作原理,A/D,轉(zhuǎn)換是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換過(guò)程通過(guò),取樣、保持、量化和編碼,四個(gè)步驟完成。,采樣,保持,量化,編碼,V,I,D,O,模擬量輸入,數(shù)字量輸出,4.1,模數(shù)轉(zhuǎn)換器基本工作原理,1,、取樣：取樣（也稱采樣）是將時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)，,轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的信號(hào),，即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決

16、于輸入模擬量。,2,、保持：模擬信號(hào)經(jīng)采樣后，得到一系列,樣值脈沖,。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)之前，應(yīng)暫時(shí)保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加,保持電路,。,3,、量化：將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個(gè)過(guò)程稱為,量化,。,4,、編碼：把量化的結(jié)果用代碼表示出來(lái)，稱為編碼。這些代碼就是,A/D,轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果。,4.1,模數(shù)轉(zhuǎn)換器基本工作原理,模擬信號(hào)數(shù)字化需要注意兩個(gè)問(wèn)題：每秒鐘需要采集多少個(gè)信號(hào)樣本，也就是采樣頻率,(fs),是多少，每個(gè)信號(hào)樣本的比特?cái)?shù),b/s(bit per sample),應(yīng)該是多少，也就是量化精度。,根據(jù)奈奎斯特理論（,Nyquist theory,），采樣頻率的高低是由模擬信號(hào)本身的最高頻率決定的。奈奎斯特理論指出，采樣頻率不應(yīng)低于模擬信號(hào)最高頻率的兩倍，這樣就能把以數(shù)字表達(dá)的信號(hào)還原成原來(lái)的信號(hào)，這叫做無(wú)損數(shù)字化（,lossless digitization,）。采樣定律用公式表示為,f,s,2f,或者,T,s,T/2,其中,f,為被采樣信號(hào)的最高頻率，,T,為被采樣信號(hào)的最低周期，,f