ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ МЭС МИКРОФОНОВ C ПИМ ВЫХОДОМ СИГАНАЛА В СОВРЕМЕННЫХ ПЛОСКИХ МИКРОФОННЫХ РЕШЕТКАХ

Введение: Фазированные микрофонные решетки нашли широкое применение в устройствах обработки акустических сигналов с целью увеличения соотношения сигнал/шум в заданном направлении. Например, в сотовом телефоне простейшая микрофонная решетка состоит всего из двух микрофонов и служит для увеличения соотношение сигнал/шум говорящего.

Более сложные фазированные микрофонные решетки обычно состоят из 4-х и более микрофонов. Их число может достигать 64 и даже 512 штук. Как уже говорилось выше, главное назначение фазированной микрофонной решетки — создать нужную диаграмму направленности в заданном направлении, оперативно менять это направление в пространстве и тем самым увеличить соотношение сигнал/шум от выбранного акустического источника, на который направлена фазированная антенная решетка.

Целью данной работы было сравнить существующие технологии создания фазированных микрофонных решеток.

Самая распространенная технология построения фазированной микрофонной решетки приведена на следующей блок-схеме:

Рисунок 1. Блок-схема получения данных и управления фазой микрофонных решеток

Пример такой микрофонной решетки вы можете увидеть ниже:

Рисунок 2. Микрофонная решетка BSWA-TECH SPS-980 [2]

Сигнал с микрофона поступает на предусилитель, далее идет на аналоговый корректор фазы, который построен на операционном усилителе, со сдвигающей фазу RC цепочкой (рисунок 2). Причем используется не обычный резистор, а I2C управляемый. Далее сигнал уходит на аналогово-цифровой преобразователь АЦП, где оцифровывается и поступает в программируемую логическую интегральную схему ПЛИС по параллельной шине — либо, в лучшем случае, по последовательному периферийному интерфейсу ППИ. В первом случае требуется минимум 17 линий связи, во втором 5.

Рисунок 3. Структурная схема аналогового корректора фазы [1, с 18]

Как видно из схемы на рисунке 1, реализация микрофонной решетки ранее требовала большого количества «аналоговых» компонентов. Кроме того, она была достаточно громоздкой. Размеры можно оценить по следующему фото:

Рисунок 4. Вид блока аналого-цифровой обработки (16 каналов) [1, с. 22]

Обобщим недостатки конструкции фазированных микрофонных решеток, которые строятся по блок-схеме, приведенной на Рис. 1:

1.  Большой размер.

2.  Существенное количество выводов ПЛИС на 1 микрофон.

3.  Наличие большого количества аналоговых, аналогово-цифровых элементов.

4.  Большое энергопотребление, на фотографии выше видно, что всего для 16 микрофонов требуется ПЛИС уровня ALTERAMAXII.

5.  Возможность влияния помех на «длинные линии» в микрофонной решетке.

Вторая технология построения фазированных микрофонных решеток базируется на микро электромеханических системах МЭС с выходом в виде плотностно-импульсной модуляции ПИМ. Первоначально ПИМ имели высокий уровень шумов и низкую чувствительность, но технология совершенствовалась и в 2012—2013 г. появились МЭС ПИМ микрофоны с параметрами, подходящими для создания плоских микрофонных решеток.

Рисунок 5. Внешний вид МЭС ПИМ микрофона [3, с. 4]

Рисунок 6. Блок-схема МЭС ПИМ микрофона

МЭС ПИМ в отличие от аналоговых микрофонов имеют встроенный усилитель (на блок-схеме не указан), АЦП и ПИМ модулятор.

ПИМ модулятор позволяет существенно экономить число соединений, в связи с тем, что передает всего лишь 1-битный сигнал, но с частотой дискретизации в 64 раза большей, чем частота дискретизации обычного АЦП. Например, для дискретизации 16-битного сигнала с частотой дискретизации 44.1 кГц требуется частота дискретизации в однобитном режиме 2822.4 кГц.

Использование ПИМ уменьшает шумы квантования в звуковом диапазоне частот, перенося их за его пределы. Плюс ПИМ еще и в том, что для демодуляции сигнала необходим обычный фильтр нижних частот. Таким образом решается одновременно две задачи:

1.  Мы можем восстановить импульсно-кодовый модулированный ИКМ 16-битный сигнал с помощью каскадов гребенчатых фильтров и интеграторов КГИ с фильтром-корректором.

2.  Либо передавать ПИМ сигнал на выходе ПЛИС на аналоговый НЧ фильтр и пользоваться этим для минимизации выходных компонентов.

Для коррекции ПИМ модулированного сигнала необходимо использовать лишь одну линию задержки, что значительно упрощает корректор фазы внутри ПЛИС и позволяет отказаться от аналоговой коррекции фазы вовсе.

Таким образом, при использовании микрофонов с ПИМ выходом в размер блока аналого-цифровой обработки на 16 каналов помещается аналогичный блок на 70 каналов.

Подведем итоговые преимущества микрофонных решеток на МЭС ПИМ микрофонах:

1.  Малый размер блока аналого-цифровой обработки.

2.  Всего 1 вывод ПЛИС на 1 микрофон.

3.  Отсутствие внешних аналоговых элементов.

4.   Одна ПЛИС на одну микрофонную решетку.

5.  Малое энергопотребление.

6.  Уменьшение влияния помех на информационные линии благодаря передаче сигнала в цифровой форме.

7.  Легкость коррекции фазы отдельных микрофонов.

8.  Возможность создания однолучевых и многолучевых диаграмм направленности различной формы. Слежение за множественными и одиночными объектами одновременно.

9.  Возможность изменения геометрического положения диаграммы направленности в режиме реального времени.

Компания ЗАО ПФ «ЭЛВИРА» совместно с кафедрой инженерной физики работает над созданием плоских микрофонных решеток на МЭС ПИМ микрофонах. Толщина такой решетки всего 15 мм вместе с источником питания и блоком формирования диаграммы направленности в заданном направлении.

Другие размеры (вид) современной микрофонной решетки на МЭС ПИМ микрофонах можно оценить на картинке ниже:

Рисунок 7. Современная микрофонная решетка

В перспективе МЭС ПИМ микрофоны позволят создать микрофонные решетки с диаграммой направленности порядка (5—13)°, которая может сканировать по азимуту в пределах (0—180)° и углу места (0—90)° с оптимальной обработкой сигналов с микрофонов для получения максимального соотношения сигнал/шум.

Список литературы:
1.    МьоТи Ха. Аппаратные и программные средства реального времени для одно- и двумерных микрофонных решеток — диссертация кандидата технических наук № 236976, автореферат, 2007 г.
2.    BSWA Technology: product Catalogue. — China, BSWA Technology Co., Ltd, 2008. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.bswa-tech.com (дата обращения 01.09.2014).
3.    Tutorialfor MEMS microphones — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.st.com/st-web-ui/static/active/jp/resource/technical/document/application_note/DM00103199.pdf (дата обращения 01.09.2014)..