迈进数字拾音时代――数字麦克风和阵列拾音技术的应用
脉冲密度调制(PDM)信号和数字麦克风接口：
模拟信号转换成PCM信号，根据奈奎斯特准则，通常必须用大于2倍的固定采样频率对模拟信号采样。模数装换，每个采样点可以用多位比特的数据表示。比特数越多，采样精度越高，失真越小，但是电路会复杂，成本很高，不适合低成本数字麦克风应用。如图3b，数字麦克风通常是采用1位δ-Σ模数转换器，对模拟信号进行过采样（只能用于带宽有限的信号，不适合宽频信号，例如视频信号），采样率由外部时钟提供。过采样可使量化噪声远离被采样的音频信号。离信号主频fs越近,噪声幅度越小。同时对抗混叠滤波器的要求大大降低，可以到达很高的精度。
图3 PDM信号
数字麦克风通常由5个引脚，分别是电源（VDD），地（GND），时钟（CLK），数据（DAT）和通道选择（L/R）。数字麦克风接口芯片需要提供麦克风电源（需要和系统电平匹配）和外部时钟信号(1.024～3.074MHz)，数字麦克风在获取时钟信号后，从省电状态转到正常工作状态。拾取声音信号过采样转换成脉冲密度调制（PDM）的数据流（信号幅度变化越剧烈，脉冲密度越密）送给处理芯片，芯片内部的抽取滤波器（Decimator）下采样（Down sample）并低通滤波，将高频低位流的信号转换成低频高位流的PCM信号，同时滤除量化噪声。PDM接口可以挂接两个数字麦克，共享时钟和数据线，通过通道选择（L/R）选择时钟高和低时是哪个通道的麦克风。图4为数字麦克风的输出信号。在时钟为高时，L/R=0的麦克风（MIC0）数据线保持高阻状态，传输L/R=1的麦克风（MIC1）的数据；在时钟为低时，L/R=1的麦克风（MIC1）数据线保持高阻状态，传输L/R=0的麦克风（MIC0）的数据。
图4 数字麦克风的输出信号
数字麦克风阵列在手机平台的应用
2个数字麦克风使用同一组电源，电源电压同语音处理芯片FM34-395（见图5）。数字麦克风阵列通过L/R引脚配置成成主麦克风（L/R接地）和参考麦克风（L/R接电源），拾取的近端信号经过数字麦克风放大并转换成PDM信号连接到语音处理芯片FM34-395芯片。两路麦克风信号经过下采样装换成16位的PCM信号，放大滤波以后进行相关处理。
手持模式下，根据数字麦克风阵列拾取的近端信号差异，对近端语音做稳态和非稳态噪声抑制和线性回声消除处理, 处理完成的信号经过PCM引脚（TxDp）送到基带芯片（PCM IN引脚）作为上行信号，送并产生侧音送到受话器(Receiver)。下行信号通过基带芯片（PCM OUT引脚）送到FM34-395的输入引脚（RxDc），经过噪声抑制，并根据数字麦克风阵列提供的噪声信息判断是否启动清晰语音引擎来亮化受话器(Receiver)的声音，使用户在噪声环境下依然可以听得清，同时作为回声消除的参考信号。
免提模式下，根据麦克风阵列拾取的回声信号差异，对夹杂声学回声的近端语音进行消除处理, 处理完的语音做稳态噪声抑制处理，输出信号经过PCM引脚（TxDp）送到基带芯片（PCM IN引脚）作为上行信号。下行信号通过基带芯片（PCM OUT引脚）送到FM34-395的输入引脚（RxDc），经过噪声抑制，并根据数字麦克风阵列提供的噪声信息判断是否启动清晰语音引擎来亮化受话器(Receiver)的声音，使用户在噪声环境下依然可以听得清，同时作为回声消除的参考信号。
数字麦克风阵列的摆放：主麦克风摆在手机正面下方或下侧面，就是尽量靠近使用者嘴部，参考麦克风摆在手机背面上方或上侧面，即是靠近使用者的耳朵，这样在手持模式下近端语音数字麦克风阵列的两个麦克风拾取的信号有足够的差别，而较远的噪声没有差别，利用数字语音处理器FM34-395处理，就可以实现定向定距离拾音，抑制各种环境噪声。
数字麦克风阵列在笔记本电脑中的应用
图6为数字麦克风阵列在笔记本电脑的典型应用。通常数字麦克风阵列和摄像头模组一起，安装在笔记本电脑显示屏上方中央，这样使用者在视频聊天或通话时，声源位于数字麦克风阵列拾音束内，可以传送出去，而两旁的噪声位于拾音束外被抑制，实现清晰语音通信。阵列中的数字麦克风，可以按10.5mm摆放作为小型数字麦克风阵列，也可以采用距离70～210mm的宽阵列，根据麦克风摆放配置相应的软件。
图6 数字麦克风阵列在笔记本电脑的典型应用
数字麦克风拾取转换成PDM格式的信号通过线缆连接到笔记本电脑的高清音频编解码器（HD Audio Codec）声卡的数字麦克风接口，下采样转换成两路音频信号，送到位于高清音频编解码器驱动层的小型麦克风阵列处理软件（SAMSoft）处理，实现噪声抑制（Noise Suppression），回声消除（Acoustic Echo Cancellation），远距离拾音（Far Field Pick Up）敲击键盘噪声抑制等功能。
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