近年來(lái)，智能手機和筆記本電腦等移動(dòng)/便攜設備市場(chǎng)持續快速發(fā)展。這些產(chǎn)品在不斷集成更多新功能以增強用戶(hù)體驗的同時(shí)，在基本語(yǔ)音通信功能的用戶(hù)體驗方面仍有充足提升空間，特別是在嘈雜環(huán)境下提升語(yǔ)音清晰度，同時(shí)保持語(yǔ)音自然逼真度。例如，用戶(hù)在擁擠的商業(yè)街區行走時(shí)，周?chē)�環(huán)境中可能充斥著(zhù)汽車(chē)喇叭、發(fā)動(dòng)機轟鳴、建筑施工噪聲、嘈雜人群噪聲、腳步聲甚至是風(fēng)噪等，此時(shí)用手機進(jìn)行語(yǔ)音通話(huà)時(shí)，傳統技術(shù)難以提供清晰的語(yǔ)音通信效果。此外，制造商也在為新興的平板電腦等增加視頻通話(huà)功能。在利用這些移動(dòng)/便攜設備用于電話(huà)會(huì )議時(shí)，周?chē)�環(huán)境中同樣可能包括多種噪聲，如辦公室嘈雜人聲、周?chē)�談�?huà)聲、電腦噪聲、筆劃噪聲及玻璃器皿碰擊聲等，要提供清晰的通話(huà)效果同樣不易。

在這些應用中，要降低或濾除環(huán)境噪聲，提升語(yǔ)音通信效果，可以采用不同的方法，如專(zhuān)門(mén)降噪麥克風(fēng)、模擬電路降噪或數字電路降噪等。這些方法各有其特點(diǎn)，相比較而言，采用數字電路降噪的方法靈活，聲學(xué)設計復雜度較低，且降噪效果優(yōu)越。當然，便攜設備設計人員除了要提供良好的降噪效果，還面臨著(zhù)多種設計約束及挑戰，如尺寸、能耗、物理聲學(xué)設計、音頻保真度及成本等。

先進(jìn)的雙麥克風(fēng)實(shí)時(shí)自適應噪聲消減技術(shù)

安森美半導體最新推出了基于數字電路降噪技術(shù)的BelaSigna R261高性能語(yǔ)音捕獲系統級芯片(SoC)。該器件采用先進(jìn)的雙麥克風(fēng)噪聲消減技術(shù)，能夠幫助設計提供優(yōu)異的噪聲消減效果(參見(jiàn)圖1)。這種先進(jìn)的信號處理技術(shù)接受兩個(gè)麥克風(fēng)的信號，能夠區分不同類(lèi)型的信號，提取有效的語(yǔ)音信息并抑制環(huán)境噪聲，從而提升語(yǔ)音辨識度。

圖1：BelaSigna R261采用先進(jìn)的實(shí)時(shí)自適應噪聲消減算法。

BelaSigna R261在其集成的ROM存儲器中內置了語(yǔ)音提取算法。這種算法利用一個(gè)或多個(gè)傳感器來(lái)提取波形傳播信號，而不需要預先知道聲源或傳感器位置。這種方案利用全局優(yōu)化準則，同時(shí)工作在頻域、時(shí)域和空域，對聲源的數量及傳感器的數量沒(méi)有限制，與信噪比(SNR)無(wú)關(guān)，即在低SNR和高SNR環(huán)境下能夠同樣優(yōu)化地工作，非常適合于需要從不同噪聲域中提取有用語(yǔ)音信號的手機和便攜計算機等應用。

這種自適應噪聲抑制算法提供25 dB的噪聲抑制能力，能夠實(shí)時(shí)地分離需要的語(yǔ)音與環(huán)境噪聲，適合于各種語(yǔ)音源和各種位置下的語(yǔ)音，同時(shí)能夠保證音質(zhì)自然(其它方案處理后聲音不自然、不飽滿(mǎn))，可以有效配合各種品質(zhì)的麥克風(fēng)工作。

BelaSigna R261關(guān)鍵特性解析

BelaSigna R261是一款高性能的語(yǔ)音捕獲SoC，集成了數字信號處理器(DSP)、穩壓器、鎖相環(huán)(PLL)、電平轉換器及ROM存儲器，如此高的集成度與其它方案相比，能夠降低物料單(BOM)。如圖2所示，這器件支持雙麥克風(fēng)直接輸入，噪聲消減算法內置于集成的ROM存儲器中，基于DSP結構的應用控制器提供高性能及超低能耗，提供雙通模擬輸出，并支持數字麥克風(fēng)輸出。此外，內置的電源管理模塊支持1.8 V至3.3 V的供電電壓，內置的片上PLL提供多種頻率選擇，還提供I2C接口。

圖2：BelaSigna R261 高性能語(yǔ)音捕獲SoC功能架構圖。

特別值得一提的是，BelaSigna R261采用的雙麥克風(fēng)實(shí)時(shí)自適應噪聲消減算法提供兩種基本的算法模式，分別是遠距離拾音模式(算法模式0)和近距離拾音模式(算法模式1)。算法模式0針對遠距離拾音而優(yōu)化，可以拾取多達6米遠的語(yǔ)音，同時(shí)抑制噪聲，并支持360度全方位拾音，適合于筆記本電腦、免提電話(huà)/會(huì )議或手機免提通話(huà)模式。在這種模式下，即使用戶(hù)沒(méi)有對準麥克風(fēng)，甚至是遠離麥克風(fēng)，都能提供極佳的語(yǔ)音清晰度，從而增強用戶(hù)使用的自由度。算法模式1針對近距離拾音而優(yōu)化，這時(shí)用戶(hù)離麥克風(fēng)極近(距離小于5厘米)，即在近距離內拾取語(yǔ)音，有效抑制各種環(huán)境噪聲，適用于手機、學(xué)習機、對講機等在強噪聲環(huán)境中工作的設備。

除了這兩種基本算法模式，BelaSigna R261還提供定制算法模式，幫助制造商滿(mǎn)足特定應用需求。這種算法模式支持特殊配置，并能夠通過(guò)外部EEPROM或I2C控制接口加載新的算法參數來(lái)調整。算法效果能夠根據特定應用、麥克風(fēng)類(lèi)型、位置及其它系統參數來(lái)優(yōu)化。

表2：BelaSigna R261支持遠距離拾音、近距離拾音及定制等不同模式。

如上所述，BelaSigna R261提供高集成度，內置自適應噪聲消減算法，能夠直接連接至數字麥克風(fēng)接口或主芯片(基帶處理器)的麥克風(fēng)輸入端。故除了支持多種拾音模式，這器件的另一項重要優(yōu)勢就是便于集成到設計之中，可將設計入選(design-in)所須的時(shí)間和工程工作減至最少，因為設計團隊不須開(kāi)發(fā)或獲取算法，也不須設計復雜的支援及接口電路。

這器件也使關(guān)注成本的原設備制造商(OEM)能夠在設計中采用便宜的兩個(gè)(不一定匹配的)全向麥克風(fēng)，令麥克風(fēng)的布設更靈活，且生產(chǎn)線(xiàn)上不須調試麥克風(fēng)，進(jìn)一步節省時(shí)間及成本。這SoC采用極緊湊的5.3 mm2 WLCSP封裝(包括26球和30球兩種版本)，占用的電路板空間比其它可選方案小得多，即使空間最受限的便攜消費電子產(chǎn)品外形因數也用得上。此外，這器件在3.3 V電壓時(shí)的電流消耗為15 mA，能耗極低。

BelaSigna R261應用設計要點(diǎn)

由于BelaSigna R261基于ROM的噪聲消減算法非常靈活，麥克風(fēng)布局(物理聲學(xué)設計)就存在多種可能的選擇，但默認算法只有麥克風(fēng)以下述方式布局時(shí)才能最優(yōu)工作：1)兩個(gè)麥克風(fēng)面向用戶(hù)的嘴;2)兩個(gè)麥克風(fēng)的中間點(diǎn)位于距離各個(gè)麥克風(fēng)10至25 mm范圍內。當然，使用定制模式時(shí)也能使用其它麥克風(fēng)布局配置。

在電路設計方面，BelaSigna R261的設計針對的是在單個(gè)系統中同時(shí)支持數字及模擬處理。由于這種混合信號電路屬性，要維持高音頻保真度，審慎設計印制電路板(PCB)布線(xiàn)就至關(guān)重要。為了避免耦合噪聲進(jìn)入音頻信號路徑，要使數字信號走線(xiàn)(trace)遠離模擬信號走線(xiàn)。為了避免電氣反饋耦合，還需要將輸入走線(xiàn)與輸出走線(xiàn)隔離。

在接地設計方面，接地層應該分為兩部分，分別是模擬接地層(VSSA)和數字接地層(VSSD)。這兩個(gè)接地層應當通過(guò)單個(gè)點(diǎn)(即星形連接點(diǎn))連接在一起。星形連接點(diǎn)應當位于電源穩壓器輸出端電容的接地端。當然，這些只是設計人員在應用BelaSigna R261設計時(shí)需要注意的部分問(wèn)題。詳細的設計要點(diǎn)參見(jiàn)參考資料2。

總結：

便攜設備音頻系統設計人員需要易于集成到其系統中的高性能語(yǔ)音捕獲方案，同時(shí)滿(mǎn)足其對尺寸、能耗及成本等方面的要求。安森美半導體身為應用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應商，以BelaSigna R261高性能語(yǔ)音捕獲SoC為設計人員提供簡(jiǎn)便的選擇。這器件具備高集成度，內置先進(jìn)的自適應噪聲消減算法，支持多種語(yǔ)音拾取模式，使智能手機、對講機、筆記本及平板電腦等應用都能夠提供清晰舒適的語(yǔ)音通信，具有極高的設計靈活度，同時(shí)尺寸小、功耗低，便于選用低成本的麥克風(fēng)，使各類(lèi)便攜消費電子產(chǎn)品制造商都能大幅提升語(yǔ)音辨識度及客戶(hù)滿(mǎn)意度，并加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。