采用MEMS麥克風實現復雜環境下對特定語音的提取與放大

本系統總體構架如圖一。冗雜聲音信號經ADMP421麥克風陣列采集，由SPI控制模塊讀取語音信息，將聲音信號采集進系統進行進一步處理。人機交互可以設置語音處理的各項初始參量，確定語音閾值，實現用戶自定義的語音處理，增強系統對環境的適應性。之后，語音信息被送往FIR處理單元，進行下一步的濾波處理，初步將語音信號提取出來。這時，可以利用OR1200構建的CPU進行進一步的軟件處理，以實現更為復雜的語音處理。經過相關處理的語音信號，可以直接通過MCU控制和IIS控制輸出給WM8731進行音頻解碼輸出。如果需要較大功率輸出，可以使用音頻放大電路將音頻信號放大輸出。

另外，由于FPGA內部的存儲器較小，且為易失性的，所以需要外擴存儲器存儲程序以及用戶設定信息。如果需要運行操作系統，則需要外擴RAM以保證程序執行所需存儲器和提高程序執行效率。

圖 1 SOPC語音增強系統構架

3.單元模塊設計

3.1 軟核OR1200

OR1200是OpenCores組織提供的基于GPL協議的開放源代碼處理器，性能介于ARM7和ARM9之間，適合一般的嵌入式系統使用。OpenCores組織提供了大量的源代碼IP核供研究人員使用,OR1200在使用0.18um及6層金屬工藝時，主頻可以運行在300MHz，可以提供300Dhrystone、2.1MIPS和300次的32x32 DSP乘加操作。OR1200是32位標量RISC處理器，具有哈佛結構、5級整數流水線、支持MMU和Cache，帶有基本的DSP功能。外部數據和地址總線采用Wishbone片上總線標準。

3.2組合麥克風

目前市面上，最為流行駐極體麥克風（ECM），但硅麥克風大有取而代之的趨勢，這主要由于硅麥克風有駐極體麥克風不可比擬的優勢。硅麥克風就單個器件來說，半徑是駐極體麥克風的 1/3 或 1/4，尺寸大大減小，有更高的集成度。能耗為 ECM 的 1/2。不僅如此，硅麥克風有更強的抗射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EMI），可以在惡劣的電磁場環境正常工作，同時能夠承受表面貼裝工藝的高溫度而性能不變。MEMS麥克風^[5]非常適合麥克風安保和監視應用，可同時改善采集和波束成型體驗。ADMP421^[6]可以提供一流的SNR和擴展頻率響應，音質出色，聲音高度清晰，適用于高清語音/聲音識別。器件間的容差極小，增強了波束成形的方向性，同時卓越的PSRR和小封裝尺寸使設計人員可以極其靈活地放置麥克風。

另外ADMP421數字麥克風有著塵埃過濾器，工作性能不會隨著時間的推移而下降。

ADMP421與FPGA的接口為通用的SPI串行控制方式，控制方式比較簡單。

圖 2 ADMP421典型接口電路^[7]

3.3 WM8731音頻輸出模塊

WM8731^[8]是一款專用低功耗立體CODECs，內置了耳機驅動。該芯片是專門為MP3播放器設計的，音頻采樣和播放的芯片，其原理圖如下：

圖 3 WM8731原理圖^[8]

該芯片支持立體聲輸入和播放，內置時鐘發生器，支持多種時鐘模式，通過一個12MHz時鐘，該器件可以直接生成44.1kHz、48kHz和96kHz等采樣率，以及MP3標準定義的其他采樣率，完全不需要一個獨立的鎖相環（phase locked loop）或晶振。音頻采樣和播放采用24位AD和DA，控制信號可用IIC協議和SPI協議，數字音頻信號輸入輸出可采用Right justified 、Left justified ，IIS和 DSP 四種模式。