基于麥克風(fēng)陣列的信號(hào)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 介紹了基于TMS320C6713的信號(hào)采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320C6713作為核心控制器，通過(guò)多通道音頻串行口(McASP)與A／D芯片PCM4204連接。系統(tǒng)充分利用McASP接口多通道的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了16通道麥克風(fēng)陣列采集處理平臺(tái)，并通過(guò)外擴(kuò)USB芯片與PC主機(jī)端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，方便用戶(hù)在PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)量大、同步性強(qiáng)、精確度高、傳輸速率快、可靠性好，方便為各種麥克風(fēng)陣列應(yīng)用提供原始數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)采集；麥克風(fēng)陣列；多通道音頻串口

作為傳統(tǒng)的語(yǔ)音拾取工具，單個(gè)孤立麥克風(fēng)在噪聲處理、聲源定位和跟蹤，語(yǔ)音提取和分離等方面存在不足，嚴(yán)重影響了語(yǔ)音通信質(zhì)量。如果使用多個(gè)麥克風(fēng)組成陣列，在時(shí)頻域的基礎(chǔ)上增加一個(gè)空間域，對(duì)來(lái)自空間不同方向的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，就可以彌補(bǔ)上述不足。現(xiàn)在已有的麥克風(fēng)陣列采集處理系統(tǒng)中，大多采用4路麥克風(fēng)陣列，這類(lèi)系統(tǒng)雖然在一定程度上能解決語(yǔ)音增強(qiáng)、噪音抑制、聲源定位和回聲抵消等問(wèn)題，但由于4個(gè)麥克風(fēng)個(gè)數(shù)較少，只能組成一字線(xiàn)陣，十字陣等幾種特定的陣列形狀，三維空間的方向及距離判斷有較大的誤差。設(shè)計(jì)的16通道麥克風(fēng)采集系統(tǒng)能夠組成麥克風(fēng)面陣，彌補(bǔ)了上述不足，較好地解決了三維空間信號(hào)位置判斷的問(wèn)題。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該硬件系統(tǒng)主要包括16路麥克風(fēng)構(gòu)成的陣列、A／D采樣模塊、DSP數(shù)據(jù)處理模塊、PC機(jī)，如圖1所示。

1．1 麥克風(fēng)陣列
該系統(tǒng)中，麥克風(fēng)陣列選用聲望公司的MPA416傳聲器。MPA416傳聲器的靈敏度可達(dá)50 mV／Pa；擁有低本底噪聲；頻率響應(yīng)范圍20 Hz～20 kHz；當(dāng)其用于陣列時(shí)，MPA416的相位差能控制在3°～5°，能滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)精確度和穩(wěn)定性的要求。
1．2 A／D采樣模塊
A／D采樣模塊由4片PCM4204以及其外圍電路組成。PCM4204內(nèi)置了4個(gè)同步采樣通道，支持音頻串口和DSD數(shù)據(jù)口。音頻串口模式時(shí)，輸出24位線(xiàn)性PCM碼，有主、被動(dòng)兩種工作模式，支持左、右對(duì)齊，I2S和TDM數(shù)據(jù)格式，動(dòng)態(tài)范圍為118 dB，最高采樣頻率216 kHz。系統(tǒng)選用1片PCM4204采用主動(dòng)工作模式，其余3片PCM4204采用被動(dòng)工作模式。通過(guò)音頻串口將外部采集的模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為24位I2S格式數(shù)字信號(hào)。
由于前端麥克風(fēng)陣列的輸出信號(hào)不是差分信號(hào)，而PCM4204要求輸入信號(hào)為差分信號(hào)，同時(shí)要求輸入差分信號(hào)幅值在-0．3～-0．3+VccV之間，因此其每路信號(hào)的前端都應(yīng)有一個(gè)緩沖電路，用來(lái)將所接收的麥克風(fēng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)并對(duì)幅值進(jìn)行調(diào)整。緩沖電路主要由OPA1632和OPA22組成，OPA1632和OPA227是高精度、音頻差分放大器，緩沖電路如圖2所示。