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：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3.FET和数字芯片4.模数转换器（ADC）的基础知识5.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。t例如：温度、正弦电压。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t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数制几种进制数之间的对应关系十进制数二进制数十六进制数0123456789101112131415000000000100010000110010000101001100011101000010010101001011011000110101110011110123456789ABCDEF2.1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000000110000000000100001010000010001011000100101001000100111001101100011001101010100011101000100010001011000101110001100011010011100100111010111101011011010111110001011111010111110100111001111110010108421码余3码2421码5421码余3循环码编码0123456789权842124215421十进种类制数几种常见的BCD码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?gds图一J5312漏极1.Drain源极2.Source栅极3.Gate图二3.1FET3.2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.DATA(数据)GND(接地)CLOCK(时钟)VDD(输入电压)IN(输入)L/R(左右声道选择)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∑Δ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数字芯片输入电压VDD输入接地左右声道选择数据时钟ECMTerm.2RL=2.2KΩTerm.1RLC+VsFET阻抗转换器单体耦合腔输出(外加阻抗)接地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)传感器(温度、压力、流量等模拟量）A/D计算机（数字量）显示器D/A执行部件（模拟量控制）打印机能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口.ADC和DAC的应用：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。采样保持量化编码VIDO模拟量输入数字量输出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：①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，②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。