语音编解码器如何适应MEMS麦克风

作者：David Brooke

随着语音接口和数字助理变得越来越流行，对紧凑、经济实惠的子系统的需求将不断增长，这些子系统可以接受音频输入并将其转换为数字数据。

低成本、低功耗麦克风是当今许多设备的重要组成部分，从可穿戴设备到汽车。随着语音接口和数字助理变得越来越流行，对紧凑、经济实惠的子系统的需求将不断增长，这些子系统可以接受音频输入并将其转换为数字数据。

目前选择的技术通常是微机电系统（MEMS），MEMS麦克风在许多消费类应用中几乎无处不在。MEMS麦克风在灵敏度和信噪比方面具有良好的性能，并且物理尺寸非常小。

尽管有这些优点，但缺乏合适的接口器件一直是MEMS麦克风使用的限制因素。过去，语音编解码器被设计为处理模拟麦克风输出，大多数现代编解码器都是为了满足多媒体设备的需求而开发的。虽然可以使用模拟MEMS麦克风，但数字版本通常是首选，因为它们更易于设计和集成。

设计人员如何确保两全其美，利用数字MEMS麦克风的所有优势，而不需要复杂的附加接口电路，而复杂的附加接口电路可能设计缓慢且成本高昂？这在物联网和消费类应用中尤其重要，在这些应用中，成本至关重要，而上市时间是关键。

微机电系统麦克风

图1显示了典型的MEMS麦克风设计。声波引起的气压变化使膜弯曲，从而改变膜与固定刚性背板之间的距离。这会改变电容，为我们提供跟踪声级的电信号。

这种MEMS麦克风易于在硅中制造，并且机械器件和电路集成在单个芯片中，因此很容易集成到电路设计中。

（图1：MEMS麦克风换能器）

图2显示了一个数字MEMS麦克风，其中传感器输出被放大，转换为数字，然后调制以产生过采样的一位PDM（脉冲密度调制）输出。然后，该输出需要进一步的信号调理才能被应用使用，其中大多数需要标准PCM（脉冲编码调制）格式的输入信号。

（图2：数字MEMS麦克风框图）

处理数字信号

为了处理这种数字输出，设计人员可以在微控制器上实现PDM到PCM格式转换，然后进行数字滤波。然而，这种方法很慢，并且需要特定的技能，设计师可能需要太多时间来学习。

更好的选择是使用专门为数字MEMS麦克风设计的编解码器。其中一个例子是CML的CMX655D，如图3所示。这将基本的MEMS麦克风接口功能集成到单个低成本、超低功耗器件上。

（图3：CMX655D语音编解码器的简化框图）

该器件可同时与两个麦克风接口，支持外部降噪应用，还支持多种不同频率范围。高效率D类放大器提供智能扬声器等应用所需的音频输出。

开源开发工具

虽然集成编解码器（如CMX655D）具有许多优点，但这意味着设计人员在配置设备时有许多选项可供选择。这意味着需要工具包来帮助开发，并支持原型设计和评估。另一方面，由于上市速度和成本至关重要，因此复杂的开发套件可能会成为设计人员的障碍。

为了克服这个问题，开源方法可以提供熟悉的工具和接口，以及低价、现成的硬件。具体来说，Raspberry Pi （RPi）已被证明是许多应用中的热门选择，以最低的成本提供性能和灵活性。

硬件连接到顶部 （HAT） 接口提供了一个标准，使将第三方硬件连接到 RPi 变得简单。HAT 定义了 65 x 56mm 的物理格式和连接器的引脚排列，并支持自动配置系统，其中 RPi 可以识别连接到它的 HAT 板。

为了简化开发，CML 提供了 HAT 板 EV6550DHAT（图 4），这意味着 CMX655D 编解码器现在与 RPi 环境兼容，设计人员可以在熟悉的 Linux 环境中工作以开发他们的应用程序。

访问 Linux 也提供了使用其他开源软件的机会。一个例子是ALSA（高级Linux声音架构）框架，它是Linux内核的一部分，为声卡设备驱动程序提供API。通过为 E6550DHAT 发布此驱动程序的安装程序，CML 可以使用任何与 ALSA 兼容的高级声音应用程序，从而进一步简化开发。

随着MEMS麦克风在物联网应用中的日益普及，这种基于开源的方法意味着开发人员可以获得低成本、功能强大的软件和硬件。总体而言，这使他们能够缩短上市时间，并将精力集中在重要的地方——为最终客户创造差异化产品。