近年來(lái),，智能手機(jī)和筆記本電腦等移動(dòng)/便攜設(shè)備市場(chǎng)持續(xù)快速發(fā)展,。這些產(chǎn)品在不斷集成更多新功能以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的同時(shí)，在基本語(yǔ)音通信功能的用戶體驗(yàn)方面仍有充足提升空間,，特別是在嘈雜環(huán)境下提升語(yǔ)音清晰度,，同時(shí)保持語(yǔ)音自然逼真度。例如,，用戶在擁擠的商業(yè)街區(qū)行走時(shí),，周圍環(huán)境中可能充斥著汽車?yán)取l(fā)動(dòng)機(jī)轟鳴,、建筑施工噪聲,、嘈雜人群噪聲、腳步聲甚至是風(fēng)噪等,，此時(shí)用手機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音通話時(shí),，傳統(tǒng)技術(shù)難以提供清晰的語(yǔ)音通信效果。
此外,，制造商也在為新興的平板電腦等增加視頻通話功能,。在利用這些移動(dòng)/便攜設(shè)備用于電話會(huì)議時(shí)，周圍環(huán)境中同樣可能包括多種噪聲,，如辦公室嘈雜人聲,、周圍談話聲、電腦噪聲,、筆劃噪聲及玻璃器皿碰擊聲等,，要提供清晰的通話效果同樣不易。
在這些應(yīng)用中,，要降低或?yàn)V除環(huán)境噪聲,，提升語(yǔ)音通信效果，可以采用不同的方法,，如專門降噪麥克風(fēng),、模擬電路降噪或數(shù)字電路降噪等（見(jiàn)表1）。這些方法各有其特點(diǎn),，相比較而言,，采用數(shù)字電路降噪的方法靈活，聲學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜度較低,，且降噪效果優(yōu)越,。當(dāng)然,，便攜設(shè)備設(shè)計(jì)人員除了要提供良好的降噪效果，還面臨著多種設(shè)計(jì)約束及挑戰(zhàn),，如尺寸,、能耗、物理聲學(xué)設(shè)計(jì),、音頻保真度及成本等,。
表1：不同降噪技術(shù)比較。
先進(jìn)的雙麥克風(fēng)實(shí)時(shí)自適應(yīng)噪聲消減技術(shù)
安森美半導(dǎo)體最新推出了基于數(shù)字電路降噪技術(shù)的BelaSigna R261高性能語(yǔ)音捕獲系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）,。該器件采用先進(jìn)的雙麥克風(fēng)噪聲消減技術(shù),，能夠幫助設(shè)計(jì)提供優(yōu)異的噪聲消減效果（參見(jiàn)圖1）。這種先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)接受兩個(gè)麥克風(fēng)的信號(hào),，能夠區(qū)分不同類型的信號(hào),，提取有效的語(yǔ)音信息并抑制環(huán)境噪聲，從而提升語(yǔ)音辨識(shí)度,。
圖1：BelaSigna R261采用先進(jìn)的實(shí)時(shí)自適應(yīng)噪聲消減算法,。
BelaSigna R261在其集成的ROM存儲(chǔ)器中內(nèi)置了語(yǔ)音提取算法。這種算法利用一個(gè)或多個(gè)傳感器來(lái)提取波形傳播信號(hào),，而不需要預(yù)先知道聲源或傳感器位置,。這種方案利用全局優(yōu)化準(zhǔn)則，同時(shí)工作在頻域,、時(shí)域和空域,，對(duì)聲源的數(shù)量及傳感器的數(shù)量沒(méi)有限制，與信噪比（SNR）無(wú)關(guān),，即在低SNR和高SNR環(huán)境下能夠同樣優(yōu)化地工作,，非常適合于需要從不同噪聲域中提取有用語(yǔ)音信號(hào)的手機(jī)和便攜計(jì)算機(jī)等應(yīng)用。
這種自適應(yīng)噪聲抑制算法提供25 dB的噪聲抑制能力,，能夠?qū)崟r(shí)地分離需要的語(yǔ)音與環(huán)境噪聲,，適合于各種語(yǔ)音源和各種位置下的語(yǔ)音，同時(shí)能夠保證音質(zhì)自然（其它方案處理后聲音不自然,、不飽滿）,，可以有效配合各種品質(zhì)的麥克風(fēng)工作。
近年來(lái),，智能手機(jī)和筆記本電腦等移動(dòng)/便攜設(shè)備市場(chǎng)持續(xù)快速發(fā)展,。這些產(chǎn)品在不斷集成更多新功能以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的同時(shí)，在基本語(yǔ)音通信功能的用戶體驗(yàn)方面仍有充足提升空間,，特別是在嘈雜環(huán)境下提升語(yǔ)音清晰度,，同時(shí)保持語(yǔ)音自然逼真度。例如，用戶在擁擠的商業(yè)街區(qū)行走時(shí),，周圍環(huán)境中可能充斥著汽車?yán)取l(fā)動(dòng)機(jī)轟鳴,、建筑施工噪聲,、嘈雜人群噪聲、腳步聲甚至是風(fēng)噪等,，此時(shí)用手機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音通話時(shí),，傳統(tǒng)技術(shù)難以提供清晰的語(yǔ)音通信效果。
此外,，制造商也在為新興的平板電腦等增加視頻通話功能,。在利用這些移動(dòng)/便攜設(shè)備用于電話會(huì)議時(shí)，周圍環(huán)境中同樣可能包括多種噪聲,，如辦公室嘈雜人聲,、周圍談話聲、電腦噪聲,、筆劃噪聲及玻璃器皿碰擊聲等,，要提供清晰的通話效果同樣不易。
在這些應(yīng)用中,，要降低或?yàn)V除環(huán)境噪聲,，提升語(yǔ)音通信效果，可以采用不同的方法,，如專門降噪麥克風(fēng),、模擬電路降噪或數(shù)字電路降噪等（見(jiàn)表1）。這些方法各有其特點(diǎn),，相比較而言,，采用數(shù)字電路降噪的方法靈活，聲學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜度較低,，且降噪效果優(yōu)越,。當(dāng)然，便攜設(shè)備設(shè)計(jì)人員除了要提供良好的降噪效果,，還面臨著多種設(shè)計(jì)約束及挑戰(zhàn),，如尺寸、能耗,、物理聲學(xué)設(shè)計(jì),、音頻保真度及成本等。
表1：不同降噪技術(shù)比較,。
先進(jìn)的雙麥克風(fēng)實(shí)時(shí)自適應(yīng)噪聲消減技術(shù)
安森美半導(dǎo)體最新推出了基于數(shù)字電路降噪技術(shù)的BelaSigna R261高性能語(yǔ)音捕獲系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）,。該器件采用先進(jìn)的雙麥克風(fēng)噪聲消減技術(shù)，能夠幫助設(shè)計(jì)提供優(yōu)異的噪聲消減效果（參見(jiàn)圖1）。這種先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)接受兩個(gè)麥克風(fēng)的信號(hào),，能夠區(qū)分不同類型的信號(hào),，提取有效的語(yǔ)音信息并抑制環(huán)境噪聲，從而提升語(yǔ)音辨識(shí)度,。
圖1：BelaSigna R261采用先進(jìn)的實(shí)時(shí)自適應(yīng)噪聲消減算法,。
BelaSigna R261在其集成的ROM存儲(chǔ)器中內(nèi)置了語(yǔ)音提取算法。這種算法利用一個(gè)或多個(gè)傳感器來(lái)提取波形傳播信號(hào),，而不需要預(yù)先知道聲源或傳感器位置,。這種方案利用全局優(yōu)化準(zhǔn)則，同時(shí)工作在頻域,、時(shí)域和空域,，對(duì)聲源的數(shù)量及傳感器的數(shù)量沒(méi)有限制，與信噪比（SNR）無(wú)關(guān),，即在低SNR和高SNR環(huán)境下能夠同樣優(yōu)化地工作,，非常適合于需要從不同噪聲域中提取有用語(yǔ)音信號(hào)的手機(jī)和便攜計(jì)算機(jī)等應(yīng)用。
這種自適應(yīng)噪聲抑制算法提供25 dB的噪聲抑制能力,，能夠?qū)崟r(shí)地分離需要的語(yǔ)音與環(huán)境噪聲,，適合于各種語(yǔ)音源和各種位置下的語(yǔ)音，同時(shí)能夠保證音質(zhì)自然（其它方案處理后聲音不自然,、不飽滿）,，可以有效配合各種品質(zhì)的麥克風(fēng)工作。
BelaSigna R261關(guān)鍵特性解析
BelaSigna R261是一款高性能的語(yǔ)音捕獲SoC,，集成了數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）,、穩(wěn)壓器、鎖相環(huán)（PLL）,、電平轉(zhuǎn)換器及ROM存儲(chǔ)器,，如此高的集成度與其它方案相比，能夠降低物料單（BOM）,。如圖2所示,，這器件支持雙麥克風(fēng)直接輸入，噪聲消減算法內(nèi)置于集成的ROM存儲(chǔ)器中,，基于DSP結(jié)構(gòu)的應(yīng)用控制器提供高性能及超低能耗,，提供雙通模擬輸出，并支持?jǐn)?shù)字麥克風(fēng)輸出,。此外,，內(nèi)置的電源管理模塊支持1.8 V至3.3 V的供電電壓，內(nèi)置的片上PLL提供多種頻率選擇,，還提供I2C接口,。
圖2：BelaSigna R261 高性能語(yǔ)音捕獲SoC功能架構(gòu)圖,。
特別值得一提的是，BelaSigna R261采用的雙麥克風(fēng)實(shí)時(shí)自適應(yīng)噪聲消減算法提供兩種基本的算法模式,，分別是遠(yuǎn)距離拾音模式（算法模式0）和近距離拾音模式（算法模式1）,。算法模式0針對(duì)遠(yuǎn)距離拾音而優(yōu)化，可以拾取多達(dá)6米遠(yuǎn)的語(yǔ)音,，同時(shí)抑制噪聲,，并支持360度全方位拾音，適合于筆記本電腦,、免提電話/會(huì)議或手機(jī)免提通話模式。在這種模式下,，即使用戶沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)麥克風(fēng),，甚至是遠(yuǎn)離麥克風(fēng)，都能提供極佳的語(yǔ)音清晰度,，從而增強(qiáng)用戶使用的自由度,。算法模式1針對(duì)近距離拾音而優(yōu)化，這時(shí)用戶離麥克風(fēng)極近（距離小于5厘米）,，即在近距離內(nèi)拾取語(yǔ)音,，有效抑制各種環(huán)境噪聲，適用于手機(jī),、學(xué)習(xí)機(jī),、對(duì)講機(jī)等在強(qiáng)噪聲環(huán)境中工作的設(shè)備。
除了這兩種基本算法模式,，BelaSigna R261還提供定制算法模式,，幫助制造商滿足特定應(yīng)用需求。這種算法模式支持特殊配置,，并能夠通過(guò)外部EEPROM或I2C控制接口加載新的算法參數(shù)來(lái)調(diào)整,。算法效果能夠根據(jù)特定應(yīng)用、麥克風(fēng)類型,、位置及其它系統(tǒng)參數(shù)來(lái)優(yōu)化,。
表2：BelaSigna R261支持遠(yuǎn)距離拾音、近距離拾音及定制等不同模式,。
如上所述,，BelaSigna R261提供高集成度，內(nèi)置自適應(yīng)噪聲消減算法,，能夠直接連接至數(shù)字麥克風(fēng)接口或主芯片（基帶處理器）的麥克風(fēng)輸入端,。故除了支持多種拾音模式，這器件的另一項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)就是便于集成到設(shè)計(jì)之中,，可將設(shè)計(jì)入選（design-in）所須的時(shí)間和工程工作減至最少,，因?yàn)樵O(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不須開(kāi)發(fā)或獲取算法,，也不須設(shè)計(jì)復(fù)雜的支援及接口電路。
這器件也使關(guān)注成本的原設(shè)備制造商（OEM）能夠在設(shè)計(jì)中采用便宜的兩個(gè)（不一定匹配的）全向麥克風(fēng),，令麥克風(fēng)的布設(shè)更靈活,，且生產(chǎn)線上不須調(diào)試麥克風(fēng)，進(jìn)一步節(jié)省時(shí)間及成本,。這SoC采用極緊湊的5.3 mm2 WLCSP封裝（包括26球和30球兩種版本）,，占用的電路板空間比其它可選方案小得多，即使空間最受限的便攜消費(fèi)電子產(chǎn)品外形因數(shù)也用得上,。此外,，這器件在3.3 V電壓時(shí)的電流消耗為15 mA，能耗極低,。
BelaSigna R261應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)
由于BelaSigna R261基于ROM的噪聲消減算法非常靈活,，麥克風(fēng)布局（物理聲學(xué)設(shè)計(jì)）就存在多種可能的選擇，但默認(rèn)算法只有麥克風(fēng)以下述方式布局時(shí)才能最優(yōu)工作：1）兩個(gè)麥克風(fēng)面向用戶的嘴,；2）兩個(gè)麥克風(fēng)的中間點(diǎn)位于距離各個(gè)麥克風(fēng)10至25 mm范圍內(nèi),。當(dāng)然，使用定制模式時(shí)也能使用其它麥克風(fēng)布局配置,。
在電路設(shè)計(jì)方面,，BelaSigna R261的設(shè)計(jì)針對(duì)的是在單個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)支持?jǐn)?shù)字及模擬處理。由于這種混合信號(hào)電路屬性,，要維持高音頻保真度,，審慎設(shè)計(jì)印制電路板（PCB）布線就至關(guān)重要。為了避免耦合噪聲進(jìn)入音頻信號(hào)路徑,，要使數(shù)字信號(hào)走線（trace）遠(yuǎn)離模擬信號(hào)走線,。為了避免電氣反饋耦合，還需要將輸入走線與輸出走線隔離,。
在接地設(shè)計(jì)方面,，接地層應(yīng)該分為兩部分，分別是模擬接地層（VSSA）和數(shù)字接地層（VSSD）,。這兩個(gè)接地層應(yīng)當(dāng)通過(guò)單個(gè)點(diǎn)（即星形連接點(diǎn)）連接在一起,。星形連接點(diǎn)應(yīng)當(dāng)位于電源穩(wěn)壓器輸出端電容的接地端。當(dāng)然,，這些只是設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用BelaSigna R261設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的部分問(wèn)題,。詳細(xì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)參見(jiàn)參考資料2。
總結(jié)：
便攜設(shè)備音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要易于集成到其系統(tǒng)中的高性能語(yǔ)音捕獲方案,，同時(shí)滿足其對(duì)尺寸,、能耗及成本等方面的要求。安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應(yīng)商,，以BelaSigna R261高性能語(yǔ)音捕獲SoC為設(shè)計(jì)人員提供簡(jiǎn)便的選擇,。這器件具備高集成度,，內(nèi)置先進(jìn)的自適應(yīng)噪聲消減算法，支持多種語(yǔ)音拾取模式,，使智能手機(jī),、對(duì)講機(jī)、筆記本及平板電腦等應(yīng)用都能夠提供清晰舒適的語(yǔ)音通信,，具有極高的設(shè)計(jì)靈活度,，同時(shí)尺寸小、功耗低,，便于選用低成本的麥克風(fēng),，使各類便攜消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商都能大幅提升語(yǔ)音辨識(shí)度及客戶滿意度，并加快產(chǎn)品上市進(jìn)程,。
供稿：安森美半導(dǎo)體
參考資料：
1 ,、《BelaSigna R261簡(jiǎn)介》演示文檔，安森美半導(dǎo)體
2,、《BelaSigna R261數(shù)據(jù)手冊(cè)》， www.onsemi.com/pub_link/Collateral/BR261-D.PDF ,，安森美半導(dǎo)體