DIGITÁLNY MIKROFÓN S
RÝCHLO PÔSOBNÉ AGC A
ÚPRAVA CITLIVOSTI
MIKROFÓN PRE HLAS
STELBERRY M-50 je úplne nové riešenie pre audio nahrávacie systémy a najlepší hlasový mikrofón vo svojej triede. Vysokorýchlostné digitálne spracovanie signálu efektívne izoluje rozsah reči, čím výrazne znižuje zbytočné zvuky v nízkych a vysokých frekvenciách.
STELBERRY M-50 je vybavený duálnym digitálnym systémom Automatic Gain Control s rýchlosťou odozvy menej ako jedna tisícina sekundy.
Externý regulátor umožňuje nastaviť citlivosť digitálneho mikrofónu pre akékoľvek prevádzkové podmienky.
IP MIKROFÓN
Digitálny mikrofón STELBERRY M-50 je ideálny na pripojenie k linkovému vstupu IP kamier, ideálne prenáša akustický obraz. životné prostredie.
Táto aplikácia z neho vlastne robí plnohodnotný IP mikrofón.
Tiež jednoznačné plus toto rozhodnutie, je možnosť inštalovať digitálny mikrofón kdekoľvek, bez ohľadu na umiestnenie IP kamery.
Porovnávacia tabuľka modelov všesmerových mikrofónov radu STELBERRY M
| Charakteristika a parametre všesmerových mikrofónov | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Pevná hodnota citlivosti | ✔ | ➖ | ✔ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ |
| Nastaviteľná citlivosť | ➖ | ✔ | ➖ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Spôsob nastavenia citlivosti | Rezistor | Rezistor | Rezistor | Rezistor | Rezistor | Rezistor | Rezistor | Rezistor | Rezistor | Joystick | Joystick |
| AGC - automatické riadenie zisku | ➖ | ➖ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Schopnosť meniť rýchlosť AGC | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ |
| Možnosť deaktivácie AGC | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Prepínateľný výstup s nízkou impedanciou pre audio vstupy radu IP kamier | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ➖ | ➖ |
| Maximálna šírka pásma (Hz) | 100...6100 | 100...7200 | 100...8300 | 100...9200 | 270...4000 | 80...16000 | 80...16000 | 270...4000 | 270...4000 | 80...16000 | 80...16000 |
| Nastaviteľná šírka pásma | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ | ✔ |
| Schopnosť znížiť frekvenciu vybranú zo sady frekvencií | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ |
| Pomer signálu k šumu (dB) | 48 | 48 | 48 | 48 | 48 | 63 | 63 | 63 | 63 | 67 | 67 |
| Akustický rozsah (metre) | 8 | 10 | 10 | 12 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 25 | 25 |
| Spracovanie zvuku | ➖ | ➖ | analógový | analógový | digitálny | analógový | analógový | digitálny | digitálny | digitálny | digitálny |
| Nastavenia uzamknutia | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ | ✔ |
| Výstupná úroveň (V) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Maximálna dĺžka vedenia (metre) | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 |
| Menovité napájacie napätie (V) | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 |
| Spotreba prúdu (mA) | 3 | 3 | 8 | 8 | 25 | 8 | 8 | 25 | 25 | 25 | 25 |
| Odnímateľné káblové pripojenie s mikrofónom | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Antivandal kryt | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ | ➖ | ✔ | ➖ | ➖ |
Pre spoľahlivú prevádzku digitálneho mikrofónu STELBERRY M-50 je potrebný kvalitný napájací zdroj s nízkou úrovňou zvlnenia. Najlepším riešením je použiť STELBERRY MX-225 pass-through PoE splitter, ktorý má systém filtrovania výstupného napätia. STELBERRY MX-225 má tiež zabudovanú ochranu proti skratu na výstupe alebo prekročeniu maximálneho povoleného prúdu.
Miniatúrny priechodný PoE rozbočovač STELBERRY MX-225 sa inštaluje do káblového výrezu, ktorý spája IP kameru a prepínač a možno ho prilepiť na akýkoľvek povrch alebo schovať do krabice, cez ktorú je kábel položený. Pre pripojenie napájania k digitálnemu mikrofónu STELBERRY M-50 je PoE splitter vybavený samoupínacími konektormi, ktoré zaisťujú spoľahlivý kontakt.
RÝCHLE DIGITÁLNE
PROCESOR SIGNÁLU
Miniatúrny digitálny signálový procesor (DSP) digitalizuje zvukový signál z audio kapsuly pri vzorkovacej frekvencii 44 100 Hz a 16-bitovom vzorkovaní.
Výrazná vlastnosť Procesorom je prítomnosť 2-rýchlostného AGC, poskytujúceho bleskurýchle automatické riadenie zisku, a to ako na vstupe, tak aj na výstupe zariadenia.
6 digitálnych filtrov procesora spracováva signál tak, že na lineárnom výstupe zostáva len rozsah reči.
Precízny vstavaný predzosilňovač zaručuje vysoký odstup signálu od šumu.
OVLÁDACÍ PROCESOR
DIGITÁLNY MIKROFÓN
Centrálny riadiaci procesor digitálneho mikrofónu STELBERRY M-50 zabezpečuje nastavenie zosilnenia mikrofónu a ovládanie parametrov spracovania signálu.
Procesor zaručuje rýchly návrat mikrofónu do prevádzkového režimu po pripojení napájania vďaka vysokorýchlostnej výmennej linke so signálovým procesorom.
OCHRANA PRED VETROM PRE DIGITÁLNY MIKROFÓN
STELBERRY M-50
Pre ideálny prenos zvuku je digitálny mikrofón vybavený veterným filtrom.
Elimináciou veternej zložky filter z akustického materiálu obmedzuje nežiaduce zvuky, ktoré vznikajú pri náraze prúdenia vetra do citlivej membrány, výsledkom čoho je krištáľovo čistý zvuk.
Prítomnosť ochrany proti vetru nám umožnila vytvoriť efektívny mikrofón pre hlas.
OPTIMALIZÁCIA MIKROFÓNU POD REČOU
ROZSAH
Šírka pásma digitálneho mikrofónu STELBERRY M-50 je naladená na frekvenčný rozsah ľudskej reči a leží v rozsahu 270...4000 Hz.
Táto šírka pásma zaisťuje vynikajúcu zrozumiteľnosť reči bez ohľadu na cudzie zdroje hluku.
Spracovanie signálu je realizované šiestimi digitálnymi vysokorýchlostnými filtrami, čo zaručuje vysoký sklon amplitúdovo-frekvenčnej odozvy v nízkom a vysokofrekvenčnom rozsahu.
DVOJITÝ SYSTÉM AGC
Mikrofón je vybavený dvoma digitálnymi vysokorýchlostnými automatickými ovládačmi zisku (AGC).
Prvý AGC riadi zosilnenie na mikrofónnom vstupe ihneď po digitalizácii signálu z kapsuly a rýchlosť odozvy na zmeny v úrovni zvuku je menšia ako 1/1000 sekundy.
To vám umožní reagovať na akékoľvek, aj tie najmenšie zmeny vo zvukovom prostredí.
Druhý AGC spracováva signál na výstupe mikrofónu, pričom spoľahlivo udržiava stabilnú úroveň výstupného signálu. Rýchlosť odozvy výstupného systému AGC je tiež menšia ako 1/1000 sekundy.
POROVNANIE DIGITÁLNEHO AUTOMATICKÉHO RIADENIA ZISKU (AGC) S ANALOGOVÝM AGC
STELBERRY M-50 je úplne nové riešenie pre audio nahrávacie systémy a najlepší hlasový mikrofón vo svojej triede. Vysokorýchlostné digitálne spracovanie signálu efektívne izoluje rozsah reči, čím výrazne znižuje zbytočné zvuky v nízkych a vysokých frekvenciách. Mikrofón je vybavený duálnym digitálnym systémom Automatic Gain Control s rýchlosťou odozvy menej ako jedna tisícina sekundy. Externý regulátor umožňuje nastaviť citlivosť digitálneho mikrofónu pre akékoľvek prevádzkové podmienky. IP mikrofón Digitálny mikrofón je ideálny pre pripojenie k linkovému vstupu IP kamier, ideálne prenáša akustický obraz prostredia. Táto aplikácia z neho vlastne robí plnohodnotný IP mikrofón. Taktiež nepochybnou výhodou tohto riešenia je možnosť inštalovať digitálny mikrofón kdekoľvek, bez ohľadu na umiestnenie IP kamery. Rýchly digitálny signálový procesor Miniatúrny digitálny signálový procesor (DSP) zabezpečuje digitalizáciu audio signálu zo zvukovej kapsuly so vzorkovacou frekvenciou 44100 Hz a 16-bitovým vzorkovaním. Charakteristickým rysom procesora je prítomnosť 2-rýchlostného AGC, poskytujúceho bleskurýchle automatické riadenie zisku, a to na vstupe aj výstupe zariadenia. 6 digitálnych filtrov procesora spracováva signál tak, že na lineárnom výstupe zostáva len rozsah reči. Presný vstavaný predzosilňovač zaručuje vysoký postoj signál/šum Riadiaci procesor digitálneho mikrofónu Centrálny riadiaci procesor digitálneho mikrofónu poskytuje nastavenie zosilnenia mikrofónu a ovládanie parametrov spracovania signálu. Procesor zaručuje rýchly návrat mikrofónu do prevádzkového režimu po pripojení napájania vďaka vysokorýchlostnej výmennej linke so signálovým procesorom. Ochrana proti vetru pre digitálny mikrofón Pre ideálny prenos zvuku je digitálny mikrofón vybavený veterným filtrom. Elimináciou veternej zložky filter z akustického materiálu obmedzuje nežiaduce zvuky, ktoré vznikajú pri náraze prúdenia vetra do citlivej membrány, výsledkom čoho je krištáľovo čistý zvuk. Prítomnosť ochrany proti vetru nám umožnila vytvoriť efektívny mikrofón pre hlas. Optimalizácia mikrofónu pre rozsah reči Šírka pásma digitálneho mikrofónu je prispôsobená frekvenčnému rozsahu ľudskej reči a leží v rozsahu 270...4000 Hz. Táto šírka pásma zaisťuje vynikajúcu zrozumiteľnosť reči bez ohľadu na cudzie zdroje hluku. Spracovanie signálu je realizované šiestimi digitálnymi vysokorýchlostnými filtrami, čo zaručuje vysoký sklon amplitúdovo-frekvenčnej odozvy v nízkom a vysokofrekvenčnom rozsahu. Duálny systém AGC Mikrofón je vybavený dvoma digitálnymi, vysokorýchlostnými automatickými ovládačmi zisku (AGC). Prvý AGC riadi zosilnenie na mikrofónnom vstupe ihneď po digitalizácii signálu z kapsuly a rýchlosť odozvy na zmeny v úrovni zvuku je menšia ako 1/1000 sekundy. To vám umožní reagovať na akékoľvek, aj tie najmenšie zmeny vo zvukovom prostredí. Druhý AGC spracováva signál na výstupe mikrofónu, pričom spoľahlivo udržiava stabilnú úroveň výstupného signálu. Rýchlosť odozvy výstupného systému AGC je tiež menšia ako 1/1000 sekundy. Pohodlné nastavenie Pohodlné umiestnenie nastavenia citlivosti uľahčuje nastavenie zisku mikrofónu. Charakteristickým znakom vysoko citlivého mikrofónu je, že nastavenie zosilnenia prebieha pred začatím spracovania AGC. To uľahčuje dosiahnutie požadovanej kvality zvuku. Šírka pásma mikrofónu je zvolená tak, aby umožňovala prechod hlasových frekvencií, čím sa eliminujú nežiaduce zvuky z vysokofrekvenčných zdrojov.Popis STELBERRY M-50
Technické vlastnosti STELBERRY M-50
Digitálny mikrofón Stelberry M-50 s nastaviteľným ziskom, postavený na špecializovanom procesore. Proces činnosti mikrofónu pozostáva z analógovo-digitálnej konverzie signálu kapsuly mikrofónu, následného digitálneho filtrovania prijatého signálu a spätnej digitálnej-analógovej konverzie. Citlivý mikrofón M-50 má digitálne filtre vyladené na rozsah ľudskej reči. Zvukové frekvencie mimo frekvenčného rozsahu 270...4000 Hz sú mikrofónom výrazne tlmené. Veľmi rýchle AGC (automatické ovládanie zosilnenia) digitálneho mikrofónu umožňuje jeho pohodlné používanie v miestnosti s náhlymi zmenami hlasitosti zvuku alebo ľudskej reči.
Digitálny mikrofón M-50 sa dobre hodí ako mikrofón na nahrávanie hlasu pre projekty, ktoré sa zameriavajú na nahrávanie konverzácií. Ideálny ako externý vysoko citlivý mikrofón pre videokamery a audio rekordéry, ktoré sú citlivé na úroveň vstupného signálu a nemajú vlastné prostriedky filtrovanie zvuku.
Citlivý mikrofón Stelberry M-50 sa používa ako externý mikrofón pre rôzne video monitorovacie kamery, vrátane IP kamier, pre audio monitorovanie priestorov, ako vysoko citlivý mikrofón pre záznam hlasu v systémoch nahrávania hovorov a v systémoch rozpoznávania reči.
Umiestnenie digitálneho mikrofónu s AGC Stelberry M-50 v interiéri
Pri umiestnení mikrofónu M-50 do rohu miestnosti a nastavení maximálnej citlivosti mikrofónu bude komfortná zóna počúvania zodpovedať ploche štvrťkruhu 50 m². S ďalšou vzdialenosťou od mikrofónu bude úroveň jeho výstupného signálu postupne slabnúť až na hranicu akustickej počuteľnosti 20 metrov.
Pripojenie digitálneho mikrofónu s AGC STELBERRY M-50 k IP kamere
Digitálny mikrofón M-50 sa pripája priamo k audio linkovému vstupu videokamery. Pripojenie mikrofónu ku kamere prebieha týmto spôsobom. Žltý vodič mikrofónu M-50 do vstupného konektora „Jack-3,5 mm“ kamery je pripojený ku koncu (centrálnemu) a prstencovému kontaktu konektora (pozrite si príručku fotoaparátu). Ak kamera alebo IP kamera používa konektor RCA („tulipán“) pre zvukový vstup, prejdite na centrálny kontakt konektora RCA. Čierny vodič digitálneho mikrofónu M-50 sa pripája na spoločný (telový) kontakt 3,5 mm Jack konektora (alebo na kruhový externý kontakt RCA konektora) a na záporný spoločný vodič stabilizovaného zdroja. Červený vodič mikrofónu je pripojený k „kladnému“ vodiču stabilizovaného napájacieho zdroja.
Smerový vzor digitálneho mikrofónu s AGC a ovládaním zisku Stelberry M-50
Digitálny rečový mikrofón Stelberry M-50 je všesmerový a má koláčový graf smerovosť s miernym oslabením citlivosti mikrofónu na strane ovládača citlivosti. Polárny vzor je založený na mikrofónovej kapsule použitej v mikrofóne, berúc do úvahy vplyv tela mikrofónu.
Mikrofóny Stelberry
V posledných rokoch sa na trhu elektronických súčiastok objavili digitálne mikrofóny MEMS. Medzi ich výhody patrí: vysoká citlivosť, linearita frekvenčnej odozvy v pracovnom frekvenčnom pásme, opakovateľnosť parametrov a malé celkové rozmery. Použitie digitálneho mikrofónu MEMS tiež odstraňuje problémy spojené so šumom analógového obvodu a umožňuje priame pripojenie mikrofónu k procesoru. Tieto výhody nás zaujali a snažili sme sa ich uviesť do praxe.
V čase začatia prác mala spoločnosť Second Laboratory LLC niekoľko prototypov mikrofónov ADMP421 vyrobených spoločnosťou Analog Devices. Potom sme tu mali digitálne MEMS mikrofóny SPM0405HD4H-WB od Knowles Electronics. Výsledky práce s uvedenými mikrofónmi sa stali podkladom pre napísanie tohto článku.
Digitálny mikrofón možno pripojiť k zvukovému kodeku, ktorý má vhodné rozhranie [napríklad 8–10]. Nás ale zaujala možnosť priameho pripojenia digitálneho mikrofónu k mikrokontroléru. Toto riešenie umožnilo upustiť od používania zvukového kodeku, čo znížilo celkové rozmery a ešte viac znížilo cenu produktu. Na predbežné posúdenie očakávaných hodnôt parametrov (požadovaný výkon mikrokontroléra, spotreba energie, citlivosť, dynamický rozsah, SOI, prevádzkové frekvenčné pásmo) bola vykonaná malá vývojová práca. Na základe jeho výsledkov padlo konečné rozhodnutie o návrhu obvodu, softvéri a použitej základni prvkov.
Pripojenie digitálnych mikrofónov k mikrokontrolérom
Rozhranie medzi mikrokontrolérom a digitálnym mikrofónom je jednoduché a informácie o jeho implementácii sú dostatočne zverejnené na stránkach výrobcov a podrobne popísané inými autormi. Digitálne mikrofóny majú zvyčajne päť svoriek, stručný popis ktoré sú uvedené v tabuľke. Elektrické a časovacie parametre mikrofónových výstupov sú uvedené v ich špecifikáciách.
Tabuľka. Popis pinov digitálneho mikrofónu
| № | Meno výstup |
Stručný popis |
| 1 | VDD | Napájanie mikrofónu |
| 2 | GND | "Zem" |
| 3 | CLK | Vstupný hodinový signál, synchrónny s ktorým DATA linka prepína svoje stavy |
| 4 | ÚDAJE | Počas jednej polovice cyklu CLK tento kolík je v stave vysokej impedancie, a počas druhého polčasu slúži ako záver na čítanie údajov z výstupu modulátora Σ-Δ mikrofón |
| 5 | L/R_Sel | Tento kolík slúži na ovládanie prepínanie DATA linky. Ak L/R_Sel pripojený k VDD, potom nejaký čas potom detekcia nábežnej hrany signálu CLK DATA pin ide vysoko impedancia, a po príchode zostupnej hrany signál CLK pin DATA je pripojený na výstup Mikrofónny modulátor Σ-Δ. Ak L/R_Sel pripojený na GND, okraje signálu CLK, pozdĺž ktorého DATA linka sa prepne, zmení sa na opak |
Na vyhodnotenie požadovaného výkonu mikrokontroléra bola použitá vývojová doska ADSP-BF538 EZ KIT Lite od Analog Devices. K tejto doske bolo možné pripojiť mikrofóny pomocou rozhraní SPI alebo SPORT. Prvé z týchto rozhraní je bežnejšie, a preto sme toto rozhranie použili v režime Slave. Na generovanie hodinového signálu CLK bol použitý hardvérový časovač dostupný v mikrokontroléri. Na získanie výstupných vzoriek pri štandardnej vzorkovacej frekvencii 16 kHz pri decimačnom faktore 128 musí byť požadovaná hodinová frekvencia CLK 2,048 MHz. Ako zdroj hodín pre procesor na vývojovej doske bol použitý generátor s frekvenciou 12,288 MHz, ktorý po vydelení 6 poskytol potrebnú taktovaciu frekvenciu pre digitálny mikrofón. Aby sa minimalizovala záťaž procesora pri prijímaní počiatočných informácií z mikrofónov, bol použitý prenosový mechanizmus DMA.
Počas procesu modelovania bolo vypočítané a experimentálne overené, že na spracovanie dát z mikrofónu musí mať procesor výkon cca 8 MIPS. Posúdenie požadovaného výkonu nám umožnilo dospieť k záveru, že je možné použiť jednoduchší mikrokontrolér s menšou spotrebou energie. Z troch alternatívnych možností (ARM, PIC, MSP430) bol vybraný mikrokontrolér MSP430F5418 od Texas Instruments, ktorý má minimálnu spotrebu energie (165 μA/MIPS). V budúcnosti skontrolovať spotrebu energie a otestovať softvér Použitá bola doska MSP-EXP430F5438 Experimenter Board od rovnakej spoločnosti.
Na obr. Obrázok 1 zobrazuje zjednodušené schémy na pripojenie digitálnych mikrofónov k ladiacim doskám používaným pri prototypovaní, čo umožňuje plne simulovať zariadenia na čítanie, prehrávanie alebo ukladanie údajov z mikrofónov.
Ryža. 1. Schéma pripojenia digitálneho mikrofónu k doske: a) ADSP-BF538 EZ KIT Lite; b) MSP-EXP430F5438
Proces prevodu vstupného zvukového signálu do mikrofónu
Ryža. 2. Zjednodušený model MEMS mikrofónu
Každý digitálny MEMS mikrofón je možné zjednodušiť do modelu znázorneného na obr. 2. Vstupné zvukové vibrácie sa premieňajú cez membránu MEMS na slabý elektrický signál, ktorý sa potom privádza na vstup zosilňovača A. Predzosilnený signál potom prechádza cez analógový dolnopriepustný filter, ktorý je potrebný na ochranu pred aliasingom . Posledným prvkom spracovania signálu v mikrofóne je modulátor Σ-Δ 4. rádu, ktorý konvertuje vstupný analógový signál na jednobitový digitálny tok.
Frekvencia dátových bitov z výstupu modulátora Σ-Δ sa rovná frekvencii vstupného hodinového signálu CLK a spravidla leží v rozsahu od 1 do 4 MHz.
Meracie digitálne mikrofóny
Na meranie bolo použité zariadenie: zvukomer CENTER-325, generátor nízkofrekvenčného signálu G3-118, merač nelineárneho skreslenia S6-11, slúchadlový žiarič Dialog M-881HV a PC. Ryža. 3.
Frekvenčná odozva mikrofónu ADMP421
V časovej doméne je výstupom Σ-Δ modulátora neusporiadaná zbierka jednotiek a núl. Ak však každej vysokej logickej úrovni výstupu mikrofónu priradíme hodnotu 1,0 a každej nízkej logickej úrovni hodnotu –1,0 a potom vykonáme Fourierovu transformáciu, získame spektrogram výstupných údajov z mikrofónu. . Na obr. Obrázky 3 a 4 zobrazujú odozvy mikrofónov ADMP421 a SPM0405HD4H-WB na vstupný sínusový zvukový signál s frekvenciou 1 kHz a úrovňou 94 dB SPL. Merania boli realizované pre tri hodnoty frekvencie signálu CLK - 512, 1024 a 2048 kHz. (Pre skrátenie dĺžky publikovaného článku nie sú uvedené materiály pre frekvenciu 1024 kHz.) Spektrogramy boli skonštruované s použitím vzorky dĺžky 128–1024 vzoriek. Ryža. 4.
Frekvenčná odozva mikrofónu SPM0405HD4H-WB Súdiac podľa spektrogramov, kvantizačný šum je posunutý mimo frekvenčný rozsah zvuku a neovplyvňuje vstupný zvukový signál. V tomto prípade sa kvantizačný šum posúva ďalej do vysokofrekvenčnej oblasti, čím vyššia je vzorkovacia frekvencia mikrofónov. Približne medznú frekvenciu, od ktorej sa hladina hluku začína zvyšovať, možno určiť ako F clk
Môžete tiež pozorovať, že oba mikrofóny obsahujú konštantnú zložku vo výstupnom signáli (tento efekt je v posledných modifikáciách mikrofónov eliminovaný). Okrem toho je úroveň jednosmernej zložky porovnateľná s meraným signálom. Okrem toho hodnota konštantnej zložky minimálne závisí od napájacieho napätia. Táto vlastnosť si vyžadovala implementáciu rekurzívneho algoritmu v mikrokontroléri, ktorý eliminuje konštantný posun.
Ak porovnáte mikrofóny z hľadiska úrovne hluku, je ľahké vidieť, že mikrofón ADMP421 má najlepší postoj signál k šumu v porovnaní s mikrofónom SPM0405HD4H-WB je približne 5–6 dB, ako aj nižšia úroveň kvantizačného šumu.
Ak porovnáme úrovne nelineárneho skreslenia, uvidíme, že spektrogramy oboch mikrofónov obsahujú iba druhé harmonické, napriek tomu, že amplitúda druhej harmonickej mikrofónu Knowles Electronics je výrazne nižšia ako amplitúdy mikrofónu Analog Devices. Táto skutočnosť je obzvlášť zaujímavá, keďže obe spoločnosti štandardizujú len maximálnu SOI a len pre určitú úroveň akustický tlak. V skutočnosti tieto údaje nestačia. Napríklad nie je možné porovnávať skutočné hodnoty THD rôznych mikrofónov. Okrem toho je v súčasnosti bežnou praxou normalizovať SOI na lineárny vstup záznamových zariadení bez zohľadnenia skreslenia spôsobeného mikrofónmi.
Preto, aby bolo možné posúdiť charakter závislosti SOI od hladiny akustického tlaku, bol vykonaný experiment, ktorý zahŕňal nasledujúce kroky:
- Vystavenie mikrofónového vstupu sínusovému zvukovému signálu s frekvenciou 1 kHz a záznam jednobitových údajov z mikrofónového výstupu do flash pamäte (akustický tlak vstupného signálu sa pohybuje od 87,5 do 115 dB SPL v krokoch po 2,5 dB SPL) .
- Matematické spracovanie dát z jednobitového mikrofónu pomocou digitálneho dolnopriepustného filtra na získanie deterministického digitálneho signálu a odstránenie kvantizačného šumu.
- Reprodukcia spracovaných digitálnych dát na PC a meranie signálu SOI z výstupu zvukovej karty PC pomocou merača nelineárneho skreslenia S6-11 (nelineárne skreslenia spôsobené samotnou zvukovou kartou nepresahujú 0,1 %).
- Registrácia nameraných hodnôt zo zariadenia S6-11 pre každú hodnotu akustického tlaku vstupného audio signálu.
Ryža. 5. Závislosť SOI mikrofónov od hladiny akustického tlaku
Výsledky experimentu sú uvedené na obr. 5. Z vyššie uvedeného grafu vyplýva, že pri akustickom tlaku menšom ako 97 dB nepresahuje SPL THD mikrofónov ADMP421 a SPM0405HD4H-WB 1 %, respektíve 0,3 %. Pri vyšších akustických tlakoch je THD mikrofónu ADMP421 výrazne vyššie ako u mikrofónu SPM0405HD4H-WB a pri tlakoch nad 110 dB SPL oba mikrofóny zaznamenajú prudký nárast úrovne nelineárneho skreslenia. Vo všeobecnosti môžeme konštatovať, že mikrofón Knowles Electronics je vhodný na použitie v širšom rozsahu akustického tlaku. Treba tiež poznamenať, že hodnoty SOI mikrofónov uvedené v dokumentácii sú normalizované pri maximálnom akustickom tlaku.
Skutočné hodnoty THD pri nižších hladinách akustického tlaku sú oveľa nižšie a mikrofóny možno použiť na záznam zvuku vo vysokej kvalite.
Mikrofón ADMP421 má však ešte jednu výhodu. Tento model mikrofónu je prakticky necitlivý na šum napájacieho zdroja, aj keď ten dosahuje hodnoty 200–300 mV. Na obr. Obrázok 6 ukazuje prípad, keď je v napájacej zbernici mikrofónu prítomný umelo zavedený impulzný šum. Tento prípad je možný, ak audio zariadenie pracuje v režime pulznej spotreby (napríklad cyklické nahrávanie dát z mikrofónu do flash pamäte pri napájaní zo zdroja s nízkou spotrebou). Ryža. 6.
Pulzný šum v napájacom obvode mikrofónu Ryža. 7.
Časový diagram signálu z mikrofónov pri vystavení pulznému šumu v napájacom obvode
Na obr. Obrázok 7 zobrazuje výstupný signál z mikrofónov, prechádzajúci cez digitálny dolnopriepustný filter s amplitúdovo-frekvenčnou odozvou znázornenou na obr. 9. Na detekciu rušenia napájania počas procesu nahrávania nebol použitý žiadny referenčný zvukový signál. Aby bolo možné odhadnúť amplitúdu rušenia z výstupu mikrofónu, v hornej časti obr. Obrázok 7 zobrazuje sínusový zvukový signál 80 dB SPL zaznamenaný v neprítomnosti rušenia napájania. Ryža. 8.
Zjednodušený obvod prevodníka digitálneho signálu Σ-Δ modulátor Ryža. 9.
Frekvenčná odozva softvérového decimátora implementovaného na procesoroch ADSP-BF538F a MSP430F5438
Aby sme eliminovali vplyv šumu na napájacie obvody, museli sme použiť antialiasingový RC filter.
Aby sa izoloval signál zvukového frekvenčného pásma, údaje z mikrofónu sa musia filtrovať a prevzorkovať pri zníženej frekvencii (zvyčajne 50 až 128-násobok vzorkovacej frekvencie modulátora Σ-Δ). Digitálny dolnopriepustný filter filtruje vonkajší hluk a vlastný hluk mikrofónu mimo prevádzkového pásma ( f >Súdiac podľa spektrogramov, kvantizačný šum je posunutý mimo frekvenčný rozsah zvuku a neovplyvňuje vstupný zvukový signál. V tomto prípade sa kvantizačný šum posúva ďalej do vysokofrekvenčnej oblasti, čím vyššia je vzorkovacia frekvencia mikrofónov. Približne medznú frekvenciu, od ktorej sa hladina hluku začína zvyšovať, možno určiť ako /2M) na ochranu pred aliasingom a tiež umožňuje znížiť frekvenciu opakovania údajov. Na obr. 8 jeden z možné možnosti spracovanie jednobitového dátového toku z mikrofónu, implementované softvérovo na DSP alebo hardvérovo v audio kodekoch.
Na obr. 8, kompresný obvod vzorkovacej frekvencie (kompresor) znižuje vzorkovaciu frekvenciu v dôsledku skutočnosti, že z každého M filtrované vzorky signálu w(mM) sa zahodí M– 1 vzorka. Vstup a výstup meniča znázorneného na obr. 8 súvisia týmto výrazom:
Pri implementácii frekvenčných meničov v softvéri je možné použiť FIR aj IIR filtre ako digitálny dolnopriepustný filter. Vývojári by mali byť veľmi opatrní pri výbere typu filtra, jeho dĺžky a bitovej hĺbky, pretože od toho priamo závisí výkon celého systému ako celku. Správne vypočítaný a implementovaný decimátor (frekvenčný menič) v niektorých prípadoch výrazne zníži náklady na výrobky a zvýši ich technické špecifikácie. Ako referenciu uvádzame, že počas vývoja hlasových záznamníkov Soroka-1 a Soroka-2 boli úspešne implementované softvérové decimátory, ktoré znižujú frekvenciu 64-krát (z 1,024 MHz na 16 kHz) na vysokovýkonnom ADSP- Procesor BF538F a na mikrokontroléri MSP430F5438 s pracovnou taktovacou frekvenciou 12,288 MHz. Amplitúdovo-frekvenčná odozva digitálneho dolnopriepustného filtra zahrnutého v implementovanom decimátore je znázornená na obr. 9. Úplné informácie o praktických otázkach digitálneho filtrovania nájdete v kapitolách 6–9 tejto knihy.
Ako druhú možnosť možno použiť na to prispôsobené audio kodeky na konverziu dát z výstupu digitálneho mikrofónu, čo výrazne skráti čas vývoja produktu. Napríklad Analog Devices navrhuje používať kodeky ADAU1361 a ADAU1761, ktoré sú rovnako vhodné pre mikrofóny ADMP421 a SPM0405HD4H.
Meranie frekvenčnej odozvy pre pracovné frekvenčné pásmo s požadovanou presnosťou sa ukázalo ako pomerne náročná úloha, pretože v laboratóriu chýbal akustický žiarič s lineárnou amplitúdovou odozvou na akustický tlak. Odhady výslednej frekvenčnej odozvy ukazujú jej linearitu v pracovnom frekvenčnom pásme s chybou asi ±4 dB. Preto sme pri posudzovaní linearity frekvenčnej odozvy považovali za správne vychádzať z deklarovaných charakteristík výrobcov a vypočítaných charakteristík nízkofrekvenčných filtrov so zvlnením v priepustnom pásme menšom ako 1 dB.
Mikrofóny MEMS otvárajú nové možnosti pre vývojárov audio zariadení. Proces vytvárania digitálnych audio zariadení sa stáva jednoduchým z hľadiska hardvérovej implementácie a zložitým z hľadiska písania programov pre použité mikrokontroléry. Dúfame, že informácie o metódach a parametroch uvedených v tomto článku budú zaujímavé pre mnohých inžinierov.
Načítava sa...
