基于麦克风阵列的信号采集处理系统设计

摘要 介绍了基于TMS320C6713的信号采集处理系统。该系统以TMS320C6713作为核心控制器，通过多通道音频串行口(McASP)与A／D芯片PCM4204连接。系统充分利用McASP接口多通道的特点，设计了16通道麦克风阵列采集处理平台，并通过外扩USB芯片与PC主机端进行数据传输，方便用户在PC端进行数据处理。该系统采样数据量大、同步性强、精确度高、传输速率快、可靠性好，方便为各种麦克风阵列应用提供原始数据。
关键词 数据采集；麦克风阵列；多通道音频串口

作为传统的语音拾取工具，单个孤立麦克风在噪声处理、声源定位和跟踪，语音提取和分离等方面存在不足，严重影响了语音通信质量。如果使用多个麦克风组成阵列，在时频域的基础上增加一个空间域，对来自空间不同方向的信号进行实时处理，就可以弥补上述不足。现在已有的麦克风阵列采集处理系统中，大多采用4路麦克风阵列，这类系统虽然在一定程度上能解决语音增强、噪音抑制、声源定位和回声抵消等问题，但由于4个麦克风个数较少，只能组成一字线阵，十字阵等几种特定的阵列形状，三维空间的方向及距离判断有较大的误差。设计的16通道麦克风采集系统能够组成麦克风面阵，弥补了上述不足，较好地解决了三维空间信号位置判断的问题。

1 硬件系统设计
该硬件系统主要包括16路麦克风构成的阵列、A／D采样模块、DSP数据处理模块、PC机，如图1所示。

1．1 麦克风阵列
该系统中，麦克风阵列选用声望公司的MPA416传声器。MPA416传声器的灵敏度可达50 mV／Pa；拥有低本底噪声；频率响应范围20 Hz～20 kHz；当其用于阵列时，MPA416的相位差能控制在3°～5°，能满足系统对精确度和稳定性的要求。
1．2 A／D采样模块
A／D采样模块由4片PCM4204以及其外围电路组成。PCM4204内置了4个同步采样通道，支持音频串口和DSD数据口。音频串口模式时，输出24位线性PCM码，有主、被动两种工作模式，支持左、右对齐，I2S和TDM数据格式，动态范围为118 dB，最高采样频率216 kHz。系统选用1片PCM4204采用主动工作模式，其余3片PCM4204采用被动工作模式。通过音频串口将外部采集的模拟声音信号转化为24位I2S格式数字信号。
由于前端麦克风阵列的输出信号不是差分信号，而PCM4204要求输入信号为差分信号，同时要求输入差分信号幅值在-0．3～-0．3+VccV之间，因此其每路信号的前端都应有一个缓冲电路，用来将所接收的麦克风信号转换为差分信号并对幅值进行调整。缓冲电路主要由OPA1632和OPA22组成，OPA1632和OPA227是高精度、音频差分放大器，缓冲电路如图2所示。