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    基于三角構型的數字陣列麥克風及數字麥克風系統技術方案

    技術編號:43627416 閱讀:3 留言:0更新日期:2024-12-11 15:06
    本發明專利技術提供一種基于三角構型的數字陣列麥克風及數字麥克風系統,本方案將三個壓電傳感模塊以三角陣列形式集成在一個數字麥克風中,且將預先設計的波束形成和定向算法集成到麥克風內部,該設計不僅保留了數字麥克風的高清晰度、低功耗和強兼容性,還通過三角陣列布局實現了更精準的聲源定位和更高質量的聲音捕捉。同時,這種一體化設計簡化了制造流程,降低了成本,同時提高了設備的集成便捷性。內置的波束形成和定向算法進一步提升了系統的易用性和性能穩定性,無需復雜配置即可享受高級聲音處理功能。此外,由于算法直接集成在采集端,處理時延得以優化,聲音清晰度和準確性大幅提高。

    【技術實現步驟摘要】

    本專利技術涉及音頻數據處理,特別是涉及一種基于三角構型的數字陣列麥克風及數字麥克風系統


    技術介紹

    1、數字麥克風是現代音頻技術的一項重要進展,它通過內置的模數轉換器(adc)將聲音信號直接從模擬形式轉換為數字形式,從而優化了音頻信號的處理和傳輸過程。與傳統的模擬麥克風相比,數字麥克風展現了諸多顯著的優勢,包括更高的信噪比、更低的總諧波失真(thd)以及更廣的動態范圍。這些特性使得數字麥克風在捕捉聲音時能夠更準確地保留原始信號的質量,即使在背景噪聲較高或者聲音動態范圍較大的環境下也能保持良好的錄音效果。

    2、數字麥克風的另一個關鍵優勢是其對電磁干擾的抵抗能力強。由于信號在麥克風內部即被轉換為數字格式,相較于模擬信號,數字信號在長距離傳輸過程中對外部干擾的敏感度顯著降低。這一點對于需要長線纜傳輸或者在電磁干擾較強的環境下使用的應用場景尤為重要。

    3、在應用方面,數字麥克風廣泛應用于各種場合,從消費電子產品(如智能手機、平板電腦、智能音箱等)到專業音頻錄制設備,乃至遠程會議系統和安全監控系統。其高度的集成性和優異的性能使得數字麥克風成為提升音頻輸入質量的理想選擇。

    4、雖然數字麥克風被廣泛應用于各種設備和系統中,提供了清晰的音質和高度的數字兼容性,但是由于其依賴單一壓電傳感模塊來捕捉聲音,因此在復雜環境下面臨著明顯的性能限制。這主要表現為難以有效分離多個聲源和控制背景噪聲,特別是在需要精確聲源定位和高質量音頻捕捉的應用場合,如多人會議系統和智能家居設備。這些限制減少了數字麥克風在高端音頻應用市場的競爭力。具體表現如下:

    5、1.單一傳感模塊的性能局限:市場上的數字麥克風普遍只配備一個壓電傳感模塊,這意味著它們的聲音捕捉能力僅限于單點信號處理。在需要區分多個聲源或在嘈雜背景中清晰捕捉聲音的場景中,這種配置的麥克風難以滿足高質量音頻處理的需求。隨著用戶對音頻性能要求的提高,單傳感模塊的數字麥克風在諸多應用場合已顯示出其局限性。

    6、2.陣列配置的成本和復雜性:盡管通過組合使用多個獨立的單傳感模塊麥克風來形成一個陣列是一個可行的解決方案,這樣做會引入額外的復雜性和成本。組建麥克風陣列需要復雜的硬件配置和精細的同步機制,增加了系統的整體成本和操作難度。此外,這種方法也需要較為復雜的信號處理算法,這在成本和技術實施方面與傳統模擬麥克風系統相比并無太大優勢。

    7、3.增加軟件開發和維護成本:使用多麥克風陣列還涉及到軟件和算法的定制開發,包括波束形成和聲源定位算法的開發。這些技術的實現不僅要求高水平的專業知識,還需要顯著的時間和資金投入,特別是在調試和優化過程中,成本會進一步上升。


    技術實現思路

    1、鑒于以上所述現有技術的缺點,本專利技術的目的在于提供一種基于三角構型的數字陣列麥克風及數字麥克風系統,用于解決以上現有技術問題。

    2、為實現上述目的及其他相關目的,本專利技術提供一種基于三角構型的數字陣列麥克風,包括:呈等邊三角形陣列排布的三個mems模塊;每個mems模塊用于分別將各自接收到的聲壓信號轉化為模擬電壓信號;與各mems模塊對應連接的三個模數轉換模塊,用于分別將每個mems模塊輸出的模擬電壓信號轉化為數字信號;信號處理模塊,連接各模數轉換模塊,用于根據由三個模數轉換模塊輸出的三路數字信號,并結合來自主控芯片的控制信號,執行波束形成和聲源定向的操作,獲得增強信號且同時向主控芯片發送定向結果;調制模塊,連接所述信號處理模塊,用于對所述信號處理模塊輸出的增強信號進行多比特轉1比特的數字調制處理,獲得調制信號;接口模塊,連接所述調制模塊,用于將由所述調制模塊輸出的調制信號轉化為pdm信號,并發送至所述主控芯片。

    3、于本專利技術的一實施例中,所述信號處理模塊,用于由輸入的三路數字信號形成指向三個不同方向的波束,并依據主控芯片的控制信號判斷聲源方向,且將對應方向的波束信號作為增強信號輸出,同時將定向結果發送至所述主控芯片。

    4、于本專利技術的一實施例中,所述由輸入的三路數字信號形成指向三個不同方向的波束,并依據主控芯片的控制信號判斷聲源方向包括:將三路數字信號分別轉換為頻域,獲得三路頻域信號;基于同時輸入的三路頻域信號,形成指向三個不同方向的濾波信號;將指向三個不同方向的濾波信號分別轉換為時域,獲得指向三個不同方向的波束信號;基于主控芯片的控制信號,根據指向三個不同方向的波束信號判斷聲源方向。

    5、于本專利技術的一實施例中,所述信號處理模塊包括:三個stft處理單元,用于分別將各自輸入的一路數字信號轉換為頻域信號;三個波束形成器,分別連接三個stft處理單元,用于分別根據同時輸入的三路頻域信號形成指向對應方向的濾波信號;其中,三個波束形成器所形成的濾波信號指向三個不同方向;三個istft處理單元,分別與一波束形成器對應連接,用于分別將各自輸入的指向對應方向的濾波信號轉換為時域,獲得指向該方向的波束信號;所述波束選擇及定向單元,連接各istft處理單元,用于輸入指向三個不同方向的波束信號,且結合由所述主控芯片實時發送的控制信號確定聲源方向,并將對應方向的波束信號作為增強信號輸出,同時將確定的聲源方向作為定向結果發送至所述主控芯片。

    6、于本專利技術的一實施例中,每個波束形成器中預先設置有與其所形成的濾波信號的指向方向相匹配的波束形成系數;每個波束形成器利用預先設置的波束形成系數計算指向相應方向的濾波信號。

    7、于本專利技術的一實施例中,三個波束形成器中各自預先設置的的波束形成系數由三個mems模塊間的相對位置以及三個方向上聲波到達各mems模塊的相對到達時間差計算。

    8、于本專利技術的一實施例中,每個波束形成器將同時輸入的三路頻域信號經過預先設置的波束形成系數加權后求和,獲得指向對應方向的濾波信號。

    9、于本專利技術的一實施例中,所述波束選擇及定向單元,用于在接收到指定波束方向的控制信號時,直接將指定方向的波束信號作為增強信號輸出,同時將指定方向作為定向結果發送至所述主控芯片;在接收到非指定波束方向的控制信號時,利用最佳波束方向確定流程確定最佳波束方向,并將對應方向的波束信號作為增強信號輸出,同時將確定的最佳波束方向作為定向結果發送至所述主控芯片。

    10、于本專利技術的一實施例中,所述最佳波束方向確定流程包括:根據指向每個方向的波束信號計算各方向波束形成輸出的功率;根據各方向波束形成輸出的功率確定使波束形成輸出的功率最大化的方向,并將該方向作為最佳波束方向。

    11、為實現上述目的及其他相關目的,本專利技術提供一種數字麥克風系統,所述系統包括:主控芯片以及基于三角構型的數字陣列麥克風;其中,所述主控芯片與所述數字陣列麥克風通過接口通信連接。

    12、如上所述,本專利技術提供一種基于三角構型的數字陣列麥克風及數字麥克風系統,具有以下有益效果:本專利技術將三個壓電傳感模塊以三角陣列形式集成在一個數字麥克風中,且將預先設計的波束形成和定向算法集成到麥克風內部,該設計不僅保留了數字麥克風的高清晰本文檔來自技高網...

    【技術保護點】

    1.一種基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,包括:

    2.根據權利要求1中所述的基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,所述信號處理模塊,用于由輸入的三路數字信號形成指向三個不同方向的波束,并依據主控芯片的控制信號判斷聲源方向,且將對應方向的波束信號作為增強信號輸出,同時將定向結果發送至所述主控芯片。

    3.根據權利要求2中所述的基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,所述由輸入的三路數字信號形成指向三個不同方向的波束,并依據主控芯片的控制信號判斷聲源方向包括:

    4.根據權利要求3中所述的基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,所述信號處理模塊包括:

    5.根據權利要求4中所述的基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,每個波束形成器中預先設置有與其所形成的濾波信號的指向方向相匹配的波束形成系數;每個波束形成器利用預先設置的波束形成系數計算指向相應方向的濾波信號。

    6.根據權利要求5中所述的基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,三個波束形成器中各自預先設置的的波束形成系數由三個MEMS模塊間的相對位置以及三個方向上聲波到達各MEMS模塊的相對到達時間差計算。

    7.根據權利要求5中所述的基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,每個波束形成器將同時輸入的三路頻域信號經過預先設置的波束形成系數加權后求和,獲得指向對應方向的濾波信號。

    8.根據權利要求4中所述的基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,所述波束選擇及定向單元,用于在接收到指定波束方向的控制信號時,直接將指定方向的波束信號作為增強信號輸出,同時將指定方向作為定向結果發送至所述主控芯片;在接收到非指定波束方向的控制信號時,利用最佳波束方向確定流程確定最佳波束方向,并將對應方向的波束信號作為增強信號輸出,同時將確定的最佳波束方向作為定向結果發送至所述主控芯片。

    9.根據權利要求8中所述的基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,所述最佳波束方向確定流程包括:

    10.一種數字麥克風系統,其特征在于,所述系統包括:主控芯片以及如權利要求1至9所述的基于三角構型的數字陣列麥克風;其中,所述主控芯片與所述數字陣列麥克風通過接口通信連接。

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    【技術特征摘要】

    1.一種基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,包括:

    2.根據權利要求1中所述的基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,所述信號處理模塊,用于由輸入的三路數字信號形成指向三個不同方向的波束,并依據主控芯片的控制信號判斷聲源方向,且將對應方向的波束信號作為增強信號輸出,同時將定向結果發送至所述主控芯片。

    3.根據權利要求2中所述的基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,所述由輸入的三路數字信號形成指向三個不同方向的波束,并依據主控芯片的控制信號判斷聲源方向包括:

    4.根據權利要求3中所述的基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,所述信號處理模塊包括:

    5.根據權利要求4中所述的基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,每個波束形成器中預先設置有與其所形成的濾波信號的指向方向相匹配的波束形成系數;每個波束形成器利用預先設置的波束形成系數計算指向相應方向的濾波信號。

    6.根據權利要求5中所述的基于三角構型的數字陣列麥克風,其特征在于,三個波束形成器中各自預先設置的的波束形成系數由三個mem...

    【專利技術屬性】
    技術研發人員:杜亮
    申請(專利權)人:瑤芯微電子科技上海有限公司
    類型:發明
    國別省市:

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