数字麦克风基础知识

数字麦克风基础知识培训 模拟麦克风和数字麦克风的框架结构 前面的一幅图片是笔记本电脑中模拟麦克风和数字麦克风的框架图 由图我们可以看出 数字麦克风较模拟麦克风的优势 理论上将麦克风放在笔记本的翻盖中效果最好 然而这对电脑设计者是一个很大的挑战 现有的笔记本电脑的麦克风处在电脑底座中 从机械和声学噪声的角度看 这是一个非常恶劣的环境 这就要求麦克风的性能很好 数字麦克风输出具有抵抗射频和电磁干扰的能力 能够避免麦克风性能受到电源纹波的影响 在一个较安静的环境中使用一个数字麦克风足够了 然而 在嘈杂的的环境中 一种更有效的方案是嵌入两个或多个数字麦克风以形成麦克风阵列 麦克风阵列可以结合波束形成 噪声抑制及声学回声消除算法来使用 这种算法可以显著改善语音输入质量 微软公司下一代操作系统WindowsVista将包含这些类型的算法 以用于实时通信应用 为适应这一发展要求 我们公司也开发了自己的数字麦克风 在此我们简单介绍一些数字麦克风的基础知识 数字麦克风基础知识 主要内容 数字电路和模拟电路的基本概念数字信号的表示方法FET和数字芯片模数转换器 ADC 的基础知识数字麦克风的参数与测试方法 1 数字电路和模拟电路的基本概念 电子系统 通常是指由若干相互联接 相互作用的基本电路组成的具有特定功能的电路整体 通常电子电路可以分为模拟电子电路和数字电子电路 在此先介绍一下数字信号和模拟信号这两个概念 在观察自然界中形形色色的物理量时不难发现 尽管它们的性质各异 但就其变化规律的特点而言 不外乎两大类 其中一类物理量的变化在时间上或数值上则是连续的 这一类物理量叫做模拟量 把表示模拟量的信号叫做模拟信号 并把工作在模拟信号下的电子电路称为模拟电路 另一类物理量的变化在时间上和数量上都是离散的 也就是说 它们的变化在时间上是不连续的 总在一系列离散的瞬间发生 同时 它们的数值大小和每次的增减变化都是在某一个数量单位的整数倍 而小于这个最小数量单位的数值没有任何物理意义 这一类物理量叫做数字量 把表示数字量的信号叫做数字信号 并且把工作在数字信号下的电子电路叫做数字电路 具体讲 数字电路就是对数字信号进行产生 存储 传输 变换 运算及处理的电子电路 例如 人数 物件的个数 1 数字电路和模拟电路的基本概念 数字电路较模拟电路的优点精确度较高 有较强的稳定性 可靠性和抗干扰能力 具有算术运算能力和逻辑运算能力 可进行逻辑推理和逻辑判断 电路结构简单 便于制造和集成 使用方便灵活 目前我们公司大量生产的麦克风的工作原理都是基于模拟电路的 然而在我们周围 到处可以看到数字电视等等数字化产品 为适应电子产品的数字化要求 我们公司也正在设计开发自己的数字麦克风产品 1 数字电路和模拟电路的基本概念 2 数字信号的表示方法 数制和码制 2 1数制用数字量表示物理量的大小时 仅用一位数码往往不够用 因此经常需要用进位计数的方法组成多位数码使用 我们把多位数码中每一位的构成方法以及从低位到高位的进位规则称为数制 在数字电路中经常使用的计数进制除了十进制外 还经常使用二进制和十六进制 2 1数制 2 1 1十进制十进制是日常生活和工作中最常使用的进位计数制 在十进制中 每位有0 9十个数码 所以计数的基数是十 超过9的数必须用多位数表示 其中低位和相临的高位之间的关系是 逢十进一 故称为十进制 例如 43 5 4 101 3 100 5 10 1所以任何一个十进制数都可以用式 1 表示 D Ki 10i 式 1 2 1 2二进制目前在数字电路中应用最广的是二进制 在二进制数中 每一位仅有0和1两个可能的数码 所以计数基数为2 低位和相临高位的进位关系是 逢二进一 故称为二进制根据式 1 我们可知任何一个二进制数D都可以用式 2 来表示 D Ki 2i 式 2 例如 1010 2 我们也可以用B来代替脚注2 2 1 3十六进制十六进制的每一位有十六个不同的数码 分别用0 9 A 10 B 11 C 12 D 13 E 14 F 15 表示 低位和相临高位的进位关系是 逢十六进一 故称为十六进制 任何一个二进制数D都可以用式 3 来表示 D Ki 16i 式 3 如 1E2B 16通常也用H表示十六进制 如 1E2B 16也可写成1E2BH 2 1数制 2 1数制 不同的数码不仅可以表示数量的不同大小 而且还能用来表示不同的事物 在后一种情况下 这些数码已没有数量的含义 只是表示不同事物的代号而已 这些数码称为代码 例如在举行长跑比赛时 为便于识别运动员 通常给每个运动员编一个号码 显然这些号码仅仅表示不同的运动员 已失去了数量的大小的含义 为了便于记忆和处理 在编制代码时总要遵循一定的规则 这些规则就叫做码制 通常将这些代码称为二 十进制代码 简称BCD码 通常所用的BCD码有8421码 余3码 2421码 5211码和余3循环码 2 2码制 8421BCD码和十进制间的转换是直接按位 按组 转换 2 2码制 3 FET和数字芯片 3 1FET FieldEffectTransistor 场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件 这种器件不仅兼有体积小 重量轻 耗电省 寿命长等特点 阻抗高 噪声低 热稳定性好 抗辐而且还有输入射能力强和制造工艺简单等优点 因而大大地扩展了它的应用范围 特别是在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用 根据结构的不同 场效应管可分为两大类 结型场效应管 JFET 和金属 氧化物 半导体场效应管 MOSFET JFET是利用半导体内的电场效应进行工作的 也称为体内场效应器件 我们通常所用的就是这一种 图一为FET的表示符号 图二为我们生产中使用的一种FET的模型 我们可以看出 通常我们使用的FET有栅极 源极 漏极三个极 能够完成输入 输出和放大的功能 而同样大小的数字芯片呢 图二 3 1FET 3 2数字芯片 下图为一简单的数字芯片 在与普通FET一样大小的面积上 但是它有输入 输出 接地 时钟 数据选择 左右声道选择等功能 其中时钟端 CLOCK 有设置睡眠模式的功能 左右声道选择端 L R 可以选择左右声道 这些是较现有批量生产的麦克风的优势所在 下图为前面所述数字芯片工作的电路图 由图可以看出 该数字芯片由一个前置放大器 一个 解调器及输入 IN 时钟 CLOCK 数据 DATA 左右声道选择 L R 接地 GND 输入电压 VDD 六个极 可以完成输入 输出 数据选择 左右声道选择以及时钟等功能 3 2数字芯片 3 2数字芯片 下面我们用模似麦克风的线路图来作个比较 3 3数字麦克风的优点 减少元件成本和数目 不需要外部前置放大器简单的扁线连接增加麦克风布局的灵活性对RF和EM 射频和电磁干扰 免除的数字输出麦克风或连线没有空间上的限制采用先进软件可减少离轴环境影响波束成型噪声抑制回声消除 在前面我们就已经知道数字电路具有高集成 简单等特点 然而数字芯片在给我们带来方便的同时 也给我们带来了一些问题 我们发出的声音 和在我们周围所能听到的声音都是模拟信号 这些信号在数字电路中是不能传输的 而数字电路中只能传输数字信号 这就要求我们要先把模拟信号转换成数字信号 现在人们已经开发出把模拟信号转换成数字信号的工具 模数转换器 ADC 下面我们简单了解一下模数转换器 ADC 的一些基本知识 3 3数字麦克风的优点 4 模数转换器 ADC 为了能够使用数字电路处理模拟信号 必须把模拟信号转化成相应的数字信号 方能送入数字系统进行处理 同时也要把处理后得到的数字信号在转换成相应的模拟信号 作为最后的输出 我们把前一种从模拟信号到数字信号的转换叫做模 数转换 或简称A D 把后一种从数字信号到模拟信号的转换叫做数 模转换 或简称D A 同时把A D或D A转换的电路叫做模数转换器 简称ADC 或数模转换器 简称DAC 4 1模数转换器基本工作原理 A D转换是将模拟信号转换为数字信号 转换过程通过取样 保持 量化和编码四个步骤完成 4 1模数转换器基本工作原理 1 取样 取样 也称采样 是将时间上连续变化的信号 转换为时间上离散的信号 即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲 脉冲的幅度取决于输入模拟量 2 保持 模拟信号经采样后 得到一系列样值脉冲 采样脉冲宽度一般是很短暂的 在下一个采样脉冲到来之前 应暂时保持所取得的样值脉冲幅度 以便进行转换 因此 在取样电路之后须加保持电路 3 量化 将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上 这个过程称为量化 4 编码 把量化的结果用代码表示出来 称为编码 这些代码就是A D转换的输出结果 4 1模数转换器基本工作原理 模拟信号数字化需要注意两个问题 每秒钟需要采集多少个信号样本 也就是采样频率 fs 是多少 每个信号样本的比特数b s bitpersample 应该是多少 也就是量化精度 根据奈奎斯特理论 Nyquisttheory 采样频率的高低是由模拟信号本身的最高频率决定的 奈奎斯特理论指出 采样频率不应低于模拟信号最高频率的两倍 这样就能把以数字表达的信号还原成原来的信号 这叫做无损数字化 losslessdigitization 采样定律用公式表示为fs 2f或者Ts T 2其中f为被采样信号的最高频率 T为被采样信号的最低周期 fs称为采样频率 Ts为采样间隔 4 1模数转换器基本工作原理 如下图 图中的正弦曲线代表原始音频曲线 填了颜色的方格代表采样后得到的结果 二者越吻合说明采样结果越好 上图中的横坐标便是采样频率 纵坐标便是采样分辨率 图中的格子从左到右 逐渐加密 先是加大横坐标的密度 然后加大纵坐标的密度 显然 当横坐标的单位越小即两个采样时刻的间隔越小 则越有利于保持原始声音的真实情况 换句话说 采样的频率越大则音质越有保证 同理 当纵坐标的单位越小则越有利于音质的提高 即采样的位数越大越好 4 1模数转换器基本工作原理 量化位数 量化位是对模拟音频信号的幅度轴进行数字化 它决定了模拟信号数字化以后的动态范围 由于计算机按字节运算 一般的量化位数为8位和16位 量化位越高 信号的动态范围越大 数字化后的音频信号就越可能接近原始信号 但所需要的存贮空间也越大 图中上半部分表示原始音频的波形 下半部分表示录制后的波形 红色的点表示采样点 大家可以发现 上下波形之所以不吻合 是因为采样点不够多 或严谨一点说 是采样频率不够高 这种情况 我们称之为低频失真 4 1模数转换器基本工作原理 模数转换器有直接转换法和间接转换法两大类 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较 从而直接将模拟量转换成数字量 其特点是工作速度高 转换精度容易保证 调准也比较方便 直接A D转换器有计数型 逐次比较型 并行比较型等 间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f 然后再将t或f转换成数字量 其特点是工作速度较低 但转换精度可以做得较高 且抗干扰性强 间接A D转换器有单次积分型 双积分型等 4 2模数转换器的主要电路形式 4 3 1模数转换器的主要技术指标 分辨率 分辨率指模数转换器对输入模拟信号的分辨能力 2 转换时间 转换时间是指模数转换器从接到转换启动信号开始 到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间 3 转换误差 它表示模数转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别 常用最低有效位的倍数表示 4 3模数转换器部分性能指标 4 3 2模数转换器的主要技术指标 转换精度 保证数据处理结果的准确性 2 转换速度 适应快速过程的控制和检测的需要 4 3模数转换器部分性能指标 5 数字麦克风的参数与测试 现在我们公司大批量生产的麦克风是模拟麦克风 它们都是模拟信号输入 模拟信号输出 而正在批量中的数字麦克风却不同 它们是模拟信号输入 数字信号输出 鉴于数字信号与模拟信号的不同 因此我们量化麦克风好坏的标准也有所不同 数字麦克风中灵敏度的概念也与模拟麦克风有别 下面介绍一下数字麦克风的一些参数的定义和测试设备 5 1数字麦克风的参数 1 dBdB分贝为表示相对功率或幅度电平的标准单位 用dB表示 dBm 是以0 775Vrms 阻抗为600 为参考电压的电平单位 dBu 是以0 775Vrms 阻抗不限 为参考电压时的电平单位 dBv 是以1 0Vrms 阻抗不限 为参考电压时的电平单位 dBr 是相对参考电平单位 测量电声系统的幅频特性时 常被选用 dBfs dBfullscale 是数字音频信号电平单位 亦写做dBFS 1 dB满刻度分贝值 dBFS dBFullScale 0 dBfs 是满刻度的数字音频参考电平 称 数字满刻度电平 是指在数字域的音频系统中 对最大值所对应的A D或D A变换器 所能转换的模拟信号不被削波时的信号电平 它用于带有A D或D A转换器的数字音频设备 是一项 满刻度 指标 满刻度 是指 转换器可能到达 数字过载 之前的最大峰值电平 满刻度电平值是由转换器内部设计所决的是一个固定电平值 0 dBfs对应 24dBu 曾是我国的广播电影电视行业标准 其最大可能编码的电平值 用与其相对应的模拟信号电平值表示 所采用的编码方式 至少相当于16比特均匀精度 目前 已成为中华人民共和国国家标准 即GB T14919 1994 数字声音信号源编码技术规范 5 1数字麦克风的参数 1 dB满刻度分贝值三种标准 1 原广播电影电视行业标准GY T192 2003 数字音频设备的满度电平 是这样规定的 电声系统的 工作电平 为15dBu 最高峰值电平为24dBu 尚符合现在国标的规定 2 欧洲广播联盟 EBU R68 2000 的规定为 0dBfs对应 22dBu 3 美国电影与电视工程师协会 SMPTE 在RP155 1995中建议数字音频系统满度电平为 0dBfs对应 24dBu其中 最大允许工作电平由自己掌握 未做规定 以上标准中 基准电平的建议均为 4dBu 5 1数字麦克风的参数 2 DR 动态范围 动态范围信号最强的部分与最微弱部分之间的电平差动态范围和bits的关系 dB 20log2 例如 16bits音频 动态范围 96dB 20bits音频 动态范围 120dB 24bits音频 动态范围 144dB 5 1数字麦克风的参数 2 DR 动态范围 模数转换器的动态范围是怎样实现的 满刻度是0dBFS 从规格书上看 噪声水平是 89dBFS 因此 动态范围为 89dB 5 1数字麦克风的参数 3 SNR 信噪比 信噪比SNR SignaltoNoiseRatio 是有用信号与噪声之比的简称 噪音可分为环境噪音和设备噪音 信噪比越大 声音质量越好 5 1数字麦克风的参数 模数转换器自身的SNR通常和其动态范围值相似 3 SNR 信噪比 SNR可以通过快速傅里叶变换 FFT 曲线测得 5 1数字麦克风的参数 4 THD 总谐波失真 总谐波失真 THD 是指总的有效信号和谐波失真的有效信号的比值 用分贝表示 THD不是一个常用的衡量标准 它需要一个不同类型的分析仪 用计算机测试单个谐波激励 而不是利用其自身来测试 THD N 谐波失真加噪声 用分贝表示 5 1数字麦克风的参数 5 SINAD 信号 噪声及失真比 这个参数用来衡量模数转换器的性能 SINAD将信噪比SNR和总谐波失真THD组合在一起 可通过下式计算 5 1数字麦克风的参数 5 S