采用MEMS麦克风实现复杂环境下对特定语音的提取与放大

4.1. 硬件设计

本系统使用组合麦克风得到语音信号^[9]。系统将使用6个背靠背的ADMP421并使用隔音效果比较好的垫片将它们隔离，这样就可以构成简单的差动结构，差动输出的信号就可以简单的消除来自不同方向的噪声干扰。

4.2. 相位调制

由于声音信号是有一个比较宽的频率范围，大致在300Hz-3400Hz^[10]，虽然ADMP421体积较小，但是它们收到的声音信号相互之间还是存在着相位差的。例如，两个麦克风之间相距0.5cm，由于声音的传播速度是340m/s（室温下），那么其传播时间相差即为14.7微秒，其相对应的频率即为68K Hz。那么频率为17K Hz的信号就会因为相差90°的相位，而不能由差分的信号消除。而在别的频率的信号也会由于相位差的原因而出现不同的相减差别。在相位接近180°的情况下，甚至会出现噪声增强的现象。

所以，在本系统中，首先要进行距离匹配，使各路信号基本实现相位之间的匹配。下面给出两个具体的方案：①采用频域的分析方法，将语音信号解析，然后根据麦克风之间的距离计算相位差，之后补偿。②在数据流中加入数字滤波器，使滤波器的相频相应恰恰可以补偿相位差。前者较为精细，处理效果好，但是要耗费大量的系统资源；后者是较为通用的方案，虽然不能实现完全的匹配，但是效果还是可以接受的。

4.3用户特色语音设定

由用户预先在较为安静的环境中进行麦克风测试。用户对着主麦克风说话，然后由内部的匹配算法，将各个方向的麦克风的信号收集然后根据用户的语音信息进行合理的配置，尽量增大各个麦克风的该用户的语音特征音量输出。

之后，在噪声环境中，用户可以选择相应的配置，增大用户的特征音量，减小环境噪声。如果噪声的频率特性较用户语音的差别较大，这种方法就比较有效。

4.4其他语音滤波算法的应用

随着DSP(数字信号处理)技术的发展和在各种应用中的深入，数字信号处理算法的研究是当前的一个热点。其中自适应滤波算法以其卓越的自学习和自跟踪性能在以上的产品中得到广泛的应用，也是本文要研究的方向。自适应滤波的基本理论通过几十年的发展己日趋成熟，近十几年来自适应滤波器的研究主要针对算法与硬件实现。算法研究主要是对算法速度和精度的改进，其方法大都采用软件C、MATLAB等仿真软件对算法的建模和修正^[11]。

自适应滤波算法有以下几种常见的实现方式：RLS算法，SIGN一ERROE一LMS算法，LMS算法，NLMS算法。而本系统可以根据不同的噪声背景选择，不同的消噪模式。

5.设计流程

SOC设计一般采用经典的自顶向下的设计流程。它开始于规范制定、功能划分，结束于系统集成和验证。主要包括以下步骤：① 为系统和子系统制定全面的设计规范。② 精简设计中的结构和算法。如果必要的话，包括软件设计和软硬件协同仿真。③ 把芯片功能划分为定义好了的核。④ 设计或者选择合适的核。⑤ 把核进行集成，进行功能验证和时序验证。⑥ 把子系统或系统提交给下一级更高层次的集成，如果是最顶层，则可以Tapeout（投片）⑦ 验证设计的所有方面（功能、时序等等）。

图 4 SOC设计流程

本系统做为SOPC设计方法的独特之处在于：1.高级算法建模，可以利用matlab仿真之后，使用DSPbuilder将算法生成为VHDL的硬件描述语言代码，直接在FPGA中生成电路，验证算法。相对于仿真模拟，可靠性进一步增加。2.由于采用SOPC的设计方案，在整个系统设计完成后，可以利用FPGA直接做成板级产品，投入市场。现在的低端FPGA的成本已经下降很多，对于本应用的规模电路设计，其完全可以满足需求。待市场明细后，可快速生成SOC方案，进一步降低成本，降低投资风险。