数字传声器原理与应用
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图 1 模拟传声器输出信号波形
輲讂輥 电声技术 2008年 第 32 卷 第 10 期
电声器件与电路
T Electroacoustic Parts and Circui
图 2 数字传声器输出脉冲信号
1.2 数字传声器的编码格式 目前国际上 IC 厂商推向市场的内置 式 数 字 传 声
器 IC 芯片普遍采用∑-Δ 模数转换编码格式, 此编码 格式亦与相关接口应用设备采用的 DSP 及 CODEC 处 理芯片的数字音频输入格式相兼容。
模拟输出
(g) TSD-4015LA (h) TSD-4015LA(SMD) 图 8 泉声公司 TSD-6027/6020/4015 数字传声器系列外形图样
輥輴讂 电声技术 2008年 第 32 卷 第 10 期
图 10 未来蜂窝手机的新型音频架构
与模拟传声器相比, 数字传声器可以提供更好的 信噪比以及抗 RF 和 EMI 干扰能力。 在数字传声器或
輥輳讂 电声技术 2008年 第 32 卷 第 10 期
电声器件与电路
Electroacoustic Parts and Circuit
DATA、左右声道输出信号选择 L/R。 根据客户需求,可 将 L/R 选择端采取内部连接而形成 4 引脚结构, 有的 IC 芯片厂家同时供应不同型号的 L 或 R 声 道 芯 片 供 客户选用。
1~4 <500 μA -70 dB
3 数字传声器的应用
(1) 蜂窝手机具有 1 个通信处理器和 1 个应用处 理器,每个处理器用于实现上述所有音频功能。 然而, 这种集成所有可能的控制、数据接口、音频格式选择的 状况导致了蜂窝手机中数字音频高度分立的架构。 为 了帮助减轻架构上的障碍,提高效率,多个蜂窝手机公 司成立了移 动行业处理器接 口 联 盟 (MIPI),以 规 划 下 一代手持设备的设计, 该联盟将为手持设备中包括音 频在内的各种不同功能制定接口标准。 但是在 MIPI 推 出统一标准之前,未来蜂窝手机将呈现出如图 10 所示 的新型音频架构。
表 1 ∑-Δ 变换取样时钟频率与音频带宽的对应关系
时 钟 频 率/kHz 408 960 1 200 1 920 2 400
音 频 带 宽/kHz 3.4 8.0 10.0 16.0 20.0
1.3 数字传声器原理与结构 数字传声器与传统传声器的最大区别在于:如图 4
所示最新研制的 ADC 转换 IC 芯片取代了图 5 所示传 统 传 声 器 中 的 场 效 应 管 (FET),从 而 实 现 了 数 字 信 号 的直接输出。
(a) TSD-6027R A (b) A TSD-6027L A (c) TSD-6027 A (d) TSD-6027BP (e) TSD-6020BP(L/R) (f) TSD-6020 A(L/R)
前置放大器
现在的方案
HDA CODEC
音频 CPU 功放
前置放大器
TSD-6027
图9
HDA CODEC
通信 处理器
HOST
DAB-DMB 无 线 电/DVB 电 视
音乐合成器
数字传声器
生物传感器
单声道/立体声 模拟输入
ADC
蓝牙调制 解调器
震动马达 数字放大器 数字放大器 数字放大器
DODEC DAC
HOST 应 用 处理器
耳机/扬声器 立体声/单声道
扬声器
单声道耳机、 传声器
立体声耳机
模拟输入
音频子系统
电声器件与电路
T Electroacoustic Parts and Circui
传统的驻极体电容传声器之后,跟随一个模拟数字转 换器电路,将在给定的采样速率输出条件下直接向新 总线提供音频采样。 数字传声器的数据可直接由蜂窝 手机 CPU 软件控制,以提供多种语音处理功能。 另一 路数字传声器可以很容易地附于总线中,以实现立体 声录音,或作为传声器阵列的一部分实现噪声抑制或 定 向 成 形 技 术 ,以 增 强 转 换 收 听 端 的 语 音 智 能[2]。
展望了市场应用前景。
【关键词】 数字传声器; 数字信号; 模拟信号; ∑-Δ 变换
【中图分类号】 TN641
【文献标识码】 A
Theory and Application of Digital Microphone
HE Zhi-jian, ZHENG Hu-ming
(Transound Electronics Co., Ltd., Dongguan Guangdong 523297, China)
音频 CPU 功放
数字传声器性能与应用原理图
表 2 TSD-6027 性能
指标特性 指向性
尺 寸 (D×H) 灵敏度 SNR
频 率 范 围/Hz 电压/V
外 部 时 钟 范 围/MHz 电流消耗 PSR
内容 全指向 6.0 mm×2.7 mm -30 dBFS±3 dB >58 dB 100~16 000 1.64~2.86
电声器件与电路
Electroacoustic Parts and Circuit
文 章 编 号 :1002-8684(2008)10-0014-04
数字传声器原理与应用
·论文·
贺志坚, 郑虎鸣 (东莞泉声电子有限公司, 广东 东莞 523297)
【摘 要】 介绍了数字传声器的基本原理、结构以及声学、电气性能。 阐述了数字传声器在产品使用中的基本要求,
打个比方来说明如何用 1 bit 替代 16 bit 或更多比 特:传统的阶梯变换器像 16 个电灯泡,连接到各自的 开关上,每个灯泡又有不同的亮度状态,用各种组合方
16
式可以得到 2 (即 65 536)种不同的亮度。 然而,灯泡 间的亮度差会引入误差, 某种组合也并不总是能够产 生所要求的亮度。1 bit 变换技术采用完全不同的方法, 不用那么多灯泡和开关,只用 1 个灯泡和 1 个开关。房 间亮度的变化可以通过简单地改变开、 关灯泡的次数 来得到。 如果灯泡开的次数增加, 房间的亮度就会增 加,明显的区别就是增加取样的频率。
数字信号是一种离散信号, 通过电压脉冲即电压 的高与低两种形式表示要传输的数据, 其取值是有限 的。 数字数据(digital data)则是模拟数据经量 化后得 到的离散的值, 例如在计算机中用二进制代码表示的 字符、图形、音频与视频数据。
数字传声器便是将采集到的声压这一连续变化的 模拟物理量, 直接转换为特定编码格式的数字脉冲信 号输出,供 IT 应用设备进行加工处理。 如图 1~2 所示。
(2) 由于数字传声器大部分应用于立体声或阵列 模块的模式,所以在内置模数转换芯片 ADC 中一般均 设计有左右输出信号选择端 L/R。 用户只需将数字传 声器 L/R 选择端分别接 GND 与 VDD 即可。 在一个完整 时钟周期内,DATA-L 与 DATA-R 信号时序相差半个 时钟周期, 这样接口 CODEC 只需在输入的数字流中 靠脉冲信号的时序即可准确分选出左、 右数字传声器 的输出信号,如表 3 和图 11 所示。
VDD=1.8 V
VDD L/R
CMIC IN
DATA
VMIC 传声器极头
CLK GND 前置放大器
fclk=2.4 kHz
图 7 数字传声器电原理图
2 TSD-6027 / 6020 / 4015 数字传声器 系列
东莞泉声电子有限公司根据国际市场的需求,近 年来陆续开发出 TSD-6027 / 6020 / 4015 数字传声器系 列(图 8),已在一些国际知名品牌高档笔记本计算机 型号中得到配套应用。 在传声器阵列的应用中,数字 传 声 器 更 具 优 势 ,TSD-6020 数 字 传 声 器 组 成 的 传 声 器阵列模块已得到众多笔记本计算机厂商的确认, 即将投入批量生产。 数字传声器性能与应用原理图如 图 9 所示。 TSD-6027 性能参数列于表 2。
∑-Δ 变换采用过取样技术, 将信号按时间分割, 保持幅度恒定,具有高取样率、噪声整形和比特字长短 的特点。变换可以在低取样率、高分辨率的量化器或者 高取样率、低分辨率的量化器中进行,在数字音频中应 用很广泛, 如用于音频信号数字化的∑-Δ ADC 及可 将已经数字化处理后的音频信号还原为模拟声音信号 的∑-Δ DAC。 ∑-Δ 变换时根据采用的具体结构称为 1 bit 或多比特变换,目前数字传声器普遍使用的∑-Δ ADC 采用了 1 bit 变换技术,克服了采用较多比特数时 所 带 来 的 量 化 非 线 性 误 差 、纠 错 困 难 的 缺 点[1]。
声信号
声压级 -94 dB
声压
传声器 [dBV]
驻极体
[dBV]
增益 15.7 dB
ADC -0.5 dB
数字传声 器输出 [dBFS]
图 4 数字传声器原理图
声信号
声压级 -94 dB
声压
传声器 [dBV]
驻极体
JFET
增益 0 dB
模拟传声 器输出 [dBV]
图 5 传统 ECM 传声器原理图
通过图 6 的结构可以看到, 数字传声器的核心器 件是内置的∑-Δ ADC 模数转换 IC 芯片,该芯片完全 取代了传统的场效应管(FET)并实现了模拟信号到 数 字信号的转换功能。 ∑-Δ ADC 芯片是 1 只六端引脚 的微型器件,体积一般为 1.0 mm×1.0 mm×0.3 mm 左右 大小,如此微小的体 积,使其足可以装入 直 径 为 4 mm 的微型传声器之中。
驻极体
膜片 垫片 背极板
VDD
Data-Out Clock-In GND 图 6 数字传声器结构
与传统传声器的 2 只引脚结构不同, 数字传声器 一 般 具 有 4~5 只 引 脚 ,原 理 图 见 图 7,其 功 能 分 别 为 : 电 源 输 入 VDD、 地 线 GND、 时 钟 输 入 CLK、 数 据 输 出
∑-Δ 变换是将信号按时间分割,保持信号幅度恒 定。它用高电平或低电平的脉冲表示信号,例如可以采 用脉冲密度调制(PDM),如图 3 所示。 恒定幅度的脉冲 信号,不论电平高或低都能重建输出信号波形。 ∑-Δ 变换取样时钟频率与音频带宽对应关系列于表 1。
+FS DATA
-FS INPUT
图 3 脉冲密度调制(PDM)
【Abstract】 The basic principles, structure and acoustic, and electrical performance of digital microphone are
introdunced. Briefly describing the digital microphone requirement during the product using and the market
1 数字传声器原理
数字传声器, 顾名思义就是直接输出数字脉冲信 号的电声器件。 从应用角度来划分,可以分为两类:一 类是 USB 接口的传声器,其电声换能器件仍为模拟音 频输出信号,经过 A/D 编码及 USB 接口芯片后转换为 PC 格式的数字信号接口, 此类传声器多数作为 PC 周 边配套外设, 如 USB 接口手持传声器、USB 接口耳麦 等,严格来说此类应称为数字接口传声器。 另一类是 真正意义上的数字传声器, 此类传声器采用内置前置 增益及 A/D 编码 IC 芯片, 作为电声换能器件 直接输 出的便是数字脉冲信号, 可以直接与相应的编解码芯
片 (CODEC)接 口 传 输 数 字 信 号 ,笔 者 重 点 介 绍 此 类 数 字传声器原理及应用。 1.1 模拟信号与数字信号
模拟电子信号是随时间连续变化的电磁波, 利用 电磁波的描述参数(如幅度、频率或相位等)来表示要 传输的数据, 它的取值可以是无限多个。 模拟数据 (analog data) 是由传感器采集得到的连续 变化的值, 例如温度、压力,以及目前在电话、无线电和电视广播 中的声音和图像信号。
Fra Baidu bibliotek
application prospect.
【Key words】 digital microphone; digital signal; anallog signal;∑-Δ transform
随着 IT 技术的日益发展,各类电子系统中数字电 路所占比重越来越大, 尤其在 PC 的多媒体音视 频应 用及已经登场的 3G 手机应用领域, 对音频 信号的输 入质量及抗外界各种干扰的能力都提出了更高的要 求, 这些要求靠传统模拟传声器本身声学性能的改 进已经难以奏效, 而通过对传声器阵列的音频数字 信号进行算法的处理后则可以较理想地达到消除回 声、屏蔽噪声、增强波束指向性等效果。 这一切的前 提是处理的音频信号必须是经过 A/D 转换的数字信 号形式,如上所述,数字传声器的市场需求前景是毋 庸置疑的。
輲讂輥 电声技术 2008年 第 32 卷 第 10 期
电声器件与电路
T Electroacoustic Parts and Circui
图 2 数字传声器输出脉冲信号
1.2 数字传声器的编码格式 目前国际上 IC 厂商推向市场的内置 式 数 字 传 声
器 IC 芯片普遍采用∑-Δ 模数转换编码格式, 此编码 格式亦与相关接口应用设备采用的 DSP 及 CODEC 处 理芯片的数字音频输入格式相兼容。
模拟输出
(g) TSD-4015LA (h) TSD-4015LA(SMD) 图 8 泉声公司 TSD-6027/6020/4015 数字传声器系列外形图样
輥輴讂 电声技术 2008年 第 32 卷 第 10 期
图 10 未来蜂窝手机的新型音频架构
与模拟传声器相比, 数字传声器可以提供更好的 信噪比以及抗 RF 和 EMI 干扰能力。 在数字传声器或
輥輳讂 电声技术 2008年 第 32 卷 第 10 期
电声器件与电路
Electroacoustic Parts and Circuit
DATA、左右声道输出信号选择 L/R。 根据客户需求,可 将 L/R 选择端采取内部连接而形成 4 引脚结构, 有的 IC 芯片厂家同时供应不同型号的 L 或 R 声 道 芯 片 供 客户选用。
1~4 <500 μA -70 dB
3 数字传声器的应用
(1) 蜂窝手机具有 1 个通信处理器和 1 个应用处 理器,每个处理器用于实现上述所有音频功能。 然而, 这种集成所有可能的控制、数据接口、音频格式选择的 状况导致了蜂窝手机中数字音频高度分立的架构。 为 了帮助减轻架构上的障碍,提高效率,多个蜂窝手机公 司成立了移 动行业处理器接 口 联 盟 (MIPI),以 规 划 下 一代手持设备的设计, 该联盟将为手持设备中包括音 频在内的各种不同功能制定接口标准。 但是在 MIPI 推 出统一标准之前,未来蜂窝手机将呈现出如图 10 所示 的新型音频架构。
表 1 ∑-Δ 变换取样时钟频率与音频带宽的对应关系
时 钟 频 率/kHz 408 960 1 200 1 920 2 400
音 频 带 宽/kHz 3.4 8.0 10.0 16.0 20.0
1.3 数字传声器原理与结构 数字传声器与传统传声器的最大区别在于:如图 4
所示最新研制的 ADC 转换 IC 芯片取代了图 5 所示传 统 传 声 器 中 的 场 效 应 管 (FET),从 而 实 现 了 数 字 信 号 的直接输出。
(a) TSD-6027R A (b) A TSD-6027L A (c) TSD-6027 A (d) TSD-6027BP (e) TSD-6020BP(L/R) (f) TSD-6020 A(L/R)
前置放大器
现在的方案
HDA CODEC
音频 CPU 功放
前置放大器
TSD-6027
图9
HDA CODEC
通信 处理器
HOST
DAB-DMB 无 线 电/DVB 电 视
音乐合成器
数字传声器
生物传感器
单声道/立体声 模拟输入
ADC
蓝牙调制 解调器
震动马达 数字放大器 数字放大器 数字放大器
DODEC DAC
HOST 应 用 处理器
耳机/扬声器 立体声/单声道
扬声器
单声道耳机、 传声器
立体声耳机
模拟输入
音频子系统
电声器件与电路
T Electroacoustic Parts and Circui
传统的驻极体电容传声器之后,跟随一个模拟数字转 换器电路,将在给定的采样速率输出条件下直接向新 总线提供音频采样。 数字传声器的数据可直接由蜂窝 手机 CPU 软件控制,以提供多种语音处理功能。 另一 路数字传声器可以很容易地附于总线中,以实现立体 声录音,或作为传声器阵列的一部分实现噪声抑制或 定 向 成 形 技 术 ,以 增 强 转 换 收 听 端 的 语 音 智 能[2]。
展望了市场应用前景。
【关键词】 数字传声器; 数字信号; 模拟信号; ∑-Δ 变换
【中图分类号】 TN641
【文献标识码】 A
Theory and Application of Digital Microphone
HE Zhi-jian, ZHENG Hu-ming
(Transound Electronics Co., Ltd., Dongguan Guangdong 523297, China)
音频 CPU 功放
数字传声器性能与应用原理图
表 2 TSD-6027 性能
指标特性 指向性
尺 寸 (D×H) 灵敏度 SNR
频 率 范 围/Hz 电压/V
外 部 时 钟 范 围/MHz 电流消耗 PSR
内容 全指向 6.0 mm×2.7 mm -30 dBFS±3 dB >58 dB 100~16 000 1.64~2.86
电声器件与电路
Electroacoustic Parts and Circuit
文 章 编 号 :1002-8684(2008)10-0014-04
数字传声器原理与应用
·论文·
贺志坚, 郑虎鸣 (东莞泉声电子有限公司, 广东 东莞 523297)
【摘 要】 介绍了数字传声器的基本原理、结构以及声学、电气性能。 阐述了数字传声器在产品使用中的基本要求,
打个比方来说明如何用 1 bit 替代 16 bit 或更多比 特:传统的阶梯变换器像 16 个电灯泡,连接到各自的 开关上,每个灯泡又有不同的亮度状态,用各种组合方
16
式可以得到 2 (即 65 536)种不同的亮度。 然而,灯泡 间的亮度差会引入误差, 某种组合也并不总是能够产 生所要求的亮度。1 bit 变换技术采用完全不同的方法, 不用那么多灯泡和开关,只用 1 个灯泡和 1 个开关。房 间亮度的变化可以通过简单地改变开、 关灯泡的次数 来得到。 如果灯泡开的次数增加, 房间的亮度就会增 加,明显的区别就是增加取样的频率。
数字信号是一种离散信号, 通过电压脉冲即电压 的高与低两种形式表示要传输的数据, 其取值是有限 的。 数字数据(digital data)则是模拟数据经量 化后得 到的离散的值, 例如在计算机中用二进制代码表示的 字符、图形、音频与视频数据。
数字传声器便是将采集到的声压这一连续变化的 模拟物理量, 直接转换为特定编码格式的数字脉冲信 号输出,供 IT 应用设备进行加工处理。 如图 1~2 所示。
(2) 由于数字传声器大部分应用于立体声或阵列 模块的模式,所以在内置模数转换芯片 ADC 中一般均 设计有左右输出信号选择端 L/R。 用户只需将数字传 声器 L/R 选择端分别接 GND 与 VDD 即可。 在一个完整 时钟周期内,DATA-L 与 DATA-R 信号时序相差半个 时钟周期, 这样接口 CODEC 只需在输入的数字流中 靠脉冲信号的时序即可准确分选出左、 右数字传声器 的输出信号,如表 3 和图 11 所示。
VDD=1.8 V
VDD L/R
CMIC IN
DATA
VMIC 传声器极头
CLK GND 前置放大器
fclk=2.4 kHz
图 7 数字传声器电原理图
2 TSD-6027 / 6020 / 4015 数字传声器 系列
东莞泉声电子有限公司根据国际市场的需求,近 年来陆续开发出 TSD-6027 / 6020 / 4015 数字传声器系 列(图 8),已在一些国际知名品牌高档笔记本计算机 型号中得到配套应用。 在传声器阵列的应用中,数字 传 声 器 更 具 优 势 ,TSD-6020 数 字 传 声 器 组 成 的 传 声 器阵列模块已得到众多笔记本计算机厂商的确认, 即将投入批量生产。 数字传声器性能与应用原理图如 图 9 所示。 TSD-6027 性能参数列于表 2。
∑-Δ 变换采用过取样技术, 将信号按时间分割, 保持幅度恒定,具有高取样率、噪声整形和比特字长短 的特点。变换可以在低取样率、高分辨率的量化器或者 高取样率、低分辨率的量化器中进行,在数字音频中应 用很广泛, 如用于音频信号数字化的∑-Δ ADC 及可 将已经数字化处理后的音频信号还原为模拟声音信号 的∑-Δ DAC。 ∑-Δ 变换时根据采用的具体结构称为 1 bit 或多比特变换,目前数字传声器普遍使用的∑-Δ ADC 采用了 1 bit 变换技术,克服了采用较多比特数时 所 带 来 的 量 化 非 线 性 误 差 、纠 错 困 难 的 缺 点[1]。
声信号
声压级 -94 dB
声压
传声器 [dBV]
驻极体
[dBV]
增益 15.7 dB
ADC -0.5 dB
数字传声 器输出 [dBFS]
图 4 数字传声器原理图
声信号
声压级 -94 dB
声压
传声器 [dBV]
驻极体
JFET
增益 0 dB
模拟传声 器输出 [dBV]
图 5 传统 ECM 传声器原理图
通过图 6 的结构可以看到, 数字传声器的核心器 件是内置的∑-Δ ADC 模数转换 IC 芯片,该芯片完全 取代了传统的场效应管(FET)并实现了模拟信号到 数 字信号的转换功能。 ∑-Δ ADC 芯片是 1 只六端引脚 的微型器件,体积一般为 1.0 mm×1.0 mm×0.3 mm 左右 大小,如此微小的体 积,使其足可以装入 直 径 为 4 mm 的微型传声器之中。
驻极体
膜片 垫片 背极板
VDD
Data-Out Clock-In GND 图 6 数字传声器结构
与传统传声器的 2 只引脚结构不同, 数字传声器 一 般 具 有 4~5 只 引 脚 ,原 理 图 见 图 7,其 功 能 分 别 为 : 电 源 输 入 VDD、 地 线 GND、 时 钟 输 入 CLK、 数 据 输 出
∑-Δ 变换是将信号按时间分割,保持信号幅度恒 定。它用高电平或低电平的脉冲表示信号,例如可以采 用脉冲密度调制(PDM),如图 3 所示。 恒定幅度的脉冲 信号,不论电平高或低都能重建输出信号波形。 ∑-Δ 变换取样时钟频率与音频带宽对应关系列于表 1。
+FS DATA
-FS INPUT
图 3 脉冲密度调制(PDM)
【Abstract】 The basic principles, structure and acoustic, and electrical performance of digital microphone are
introdunced. Briefly describing the digital microphone requirement during the product using and the market
1 数字传声器原理
数字传声器, 顾名思义就是直接输出数字脉冲信 号的电声器件。 从应用角度来划分,可以分为两类:一 类是 USB 接口的传声器,其电声换能器件仍为模拟音 频输出信号,经过 A/D 编码及 USB 接口芯片后转换为 PC 格式的数字信号接口, 此类传声器多数作为 PC 周 边配套外设, 如 USB 接口手持传声器、USB 接口耳麦 等,严格来说此类应称为数字接口传声器。 另一类是 真正意义上的数字传声器, 此类传声器采用内置前置 增益及 A/D 编码 IC 芯片, 作为电声换能器件 直接输 出的便是数字脉冲信号, 可以直接与相应的编解码芯
片 (CODEC)接 口 传 输 数 字 信 号 ,笔 者 重 点 介 绍 此 类 数 字传声器原理及应用。 1.1 模拟信号与数字信号
模拟电子信号是随时间连续变化的电磁波, 利用 电磁波的描述参数(如幅度、频率或相位等)来表示要 传输的数据, 它的取值可以是无限多个。 模拟数据 (analog data) 是由传感器采集得到的连续 变化的值, 例如温度、压力,以及目前在电话、无线电和电视广播 中的声音和图像信号。
Fra Baidu bibliotek
application prospect.
【Key words】 digital microphone; digital signal; anallog signal;∑-Δ transform
随着 IT 技术的日益发展,各类电子系统中数字电 路所占比重越来越大, 尤其在 PC 的多媒体音视 频应 用及已经登场的 3G 手机应用领域, 对音频 信号的输 入质量及抗外界各种干扰的能力都提出了更高的要 求, 这些要求靠传统模拟传声器本身声学性能的改 进已经难以奏效, 而通过对传声器阵列的音频数字 信号进行算法的处理后则可以较理想地达到消除回 声、屏蔽噪声、增强波束指向性等效果。 这一切的前 提是处理的音频信号必须是经过 A/D 转换的数字信 号形式,如上所述,数字传声器的市场需求前景是毋 庸置疑的。