ЦИФРОВИЙ МІКРОФОН С
ШВИДКОДІЙНОЇ АРУ І
РЕГУЛЮВАЛЬНОЇ ЧУВЛИВОСТІ
МІКРОФОН ДЛЯ ГОЛОСУ
STELBERRY M-50 є абсолютно новим рішенням для систем запису звуку та найкращим мікрофоном для голосу у своєму класі. Швидкодіюча цифрова обробка сигналу ефективно виділяє мовний діапазон, помітно знижуючи зайві звуки області низьких і високих частот.
STELBERRY M-50 має подвійну цифрову систему Автоматичного Регулювання Посилення зі швидкістю реагування менше однієї тисячної частки секунди.
Зовнішній регулятор дозволяє настроїти чутливість цифрового мікрофона для будь-яких умов експлуатації.
IP МІКРОФОН
Цифровий мікрофон STELBERRY M-50 ідеально підходить для підключення до лінійного входу IP камер, ідеально передаючи акустичну картину навколишнього середовища.
Це застосування практично робить його повноцінним IP мікрофоном.
Також, безперечним плюсом цього рішення, є можливість встановлення цифрового мікрофона в будь-якому місці, незалежно від місця встановлення IP камери.
Таблиця порівняння моделей всеспрямованих мікрофонів серії STELBERRY M
| Характеристики та параметри всеспрямованих мікрофонів | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Фіксоване значення чутливості | ✔ | ➖ | ✔ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ |
| Настроювана чутливість | ➖ | ✔ | ➖ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Спосіб налаштування чутливості | Резистор | Резистор | Резистор | Резистор | Резистор | Резистор | Резистор | Резистор | Резистор | Джойстик | Джойстик |
| АРУ - автоматичне регулювання посилення | ➖ | ➖ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Можливість зміни швидкості АРУ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ |
| Можливість відключення АРУ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Низькоомний вихід для аудіовходів ряду IP-камер. | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ➖ | ➖ |
| Максимальна смуга пропускання (Гц) | 100...6100 | 100...7200 | 100...8300 | 100...9200 | 270...4000 | 80...16000 | 80...16000 | 270...4000 | 270...4000 | 80...16000 | 80...16000 |
| Можливість регулювання смуги пропускання | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ | ✔ |
| Можливість вирізування частоти, вибраної з набору частот | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ |
| Відношення сигнал/шум (дБ) | 48 | 48 | 48 | 48 | 48 | 63 | 63 | 63 | 63 | 67 | 67 |
| Акустична дальність (метри) | 8 | 10 | 10 | 12 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 25 | 25 |
| Обробка звуку | ➖ | ➖ | аналогова | аналогова | цифрова | аналогова | аналогова | цифрова | цифрова | цифрова | цифрова |
| Блокування налаштувань | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ | ✔ |
| Рівень вихідного сигналу (B) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Максимальна довжина лінії (метри) | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 |
| Номінальна напруга живлення (В) | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 |
| Споживаний струм (мА) | 3 | 3 | 8 | 8 | 25 | 8 | 8 | 25 | 25 | 25 | 25 |
| Роз'ємне з'єднання кабелю з мікрофоном | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Антивандальний корпус | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ➖ | ✔ | ➖ | ✔ | ➖ | ➖ |
Для надійної роботи цифрового мікрофону STELBERRY M-50 потрібне якісне живлення з низьким рівнем пульсацій. Найкращим рішенням є застосування прохідного PoE-сплітера STELBERRY MX-225, що має систему фільтрації вихідної напруги. Також STELBERRY MX-225 має вбудований захист від короткого замикання на виході або перевищення максимально допустимого струму.
Мініатюрний прохідний PoE-спліттер STELBERRY MX-225 встановлюється в розріз кабелю, який з'єднує IP-камеру та комутатор і може бути приклеєний до будь-якої поверхні або захований усередині короба, яким прокладений кабель. Для підключення живлення цифрового мікрофона STELBERRY M-50, PoE-спліттер має самозатискні роз'єми, що забезпечують надійний контакт.
ШВИДКОДІЙНИЙ ЦИФРОВИЙ
СИГНАЛЬНИЙ ПРОЦЕСОР
Мініатюрний цифровий сигнальний процесор (DSP) забезпечує оцифрування аудіосигналу зі звукового капсуля з частотою оцифрування 44100 Гц і дискретизацією 16 біт.
Відмінною особливістю процесора є наявність 2-х швидкісних АРУ, що забезпечують блискавичне автоматичне регулювання посилення як на вході, так і на виході пристрою.
6 цифрових фільтрів процесора обробляють сигнал таким чином, щоб на лінійному виході залишався тільки мовний діапазон.
Точний вбудований підсилювач гарантує високе відношення сигнал/шум.
КЕРУЮЧИЙ ПРОЦЕСОР
ЦИФРОВОГО МІКРОФОНУ
Центральний керуючий процесор цифрового мікрофона STELBERRY M-50 забезпечує регулювання посилення мікрофона та керування параметрами обробки сигналу.
Процесор гарантує швидкий вихід мікрофона на робочий режим після подачі живлення завдяки високошвидкісній лінії обміну з сигнальним процесором.
ВІТРОВИЙ ЗАХИСТ ЦИФРОВОГО МІКРОФОНУ
STELBERRY M-50
Для ідеальної передачі звуку цифровий мікрофон забезпечений фільтром вітрового захисту.
Виключаючи вітрову складову, фільтр з акустичного матеріалу відсікає небажані звуки, що виникають при зіткненні вітрових потоків з чутливою мембраною, в результаті чого виходить кришталевий звук.
Наявність вітрового захисту дозволило створити ефективний мікрофон для голосу.
ОПТИМІЗАЦІЯ МІКРОФОНУ ПІД МОВНОЇ
ДІАПАЗОН
Смуга пропускання цифрового мікрофона STELBERRY M-50 налаштована на частотний діапазон людської мови та лежить у межах 270...4000 Гц.
Завдяки цій смузі пропускання досягається чудова розбірливість мови, незалежно від сторонніх джерел шуму.
Обробка сигналу здійснюється шістьма цифровими швидкодіючими фільтрами, що гарантує високу крутизну амплітудно-частотної характеристики в області низьких та високих частот.
ПОДВІЙНА СИСТЕМА АРУ
Мікрофон забезпечений двома цифровими швидкодіючими автоматичними регулюваннями посилення (АРУ).
Перша АРУ регулює посилення на вході мікрофона, відразу після оцифрування сигналу з капсуля, причому швидкість реакції зміну рівня звуку становить менше 1/1000 секунди.
Це дозволяє зреагувати на будь-які, навіть незначні зміни звукової обстановки навколишнього середовища.
Друга АРУ обробляє сигнал на виході мікрофона, надійно підтримуючи стабільний рівень вихідного сигналу. Швидкість реагування вихідної системи АРУ також становить менше 1/1000 секунди.
ПОРІВНЯННЯ ЦИФРОВОГО АВТОМАТИЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ ПОСИЛЕННЯ (АРУ) з АНАЛОГОВИМ АРУ
STELBERRY M-50є абсолютно новим рішенням для систем запису звуку та найкращим мікрофоном для голосу у своєму класі. Швидкодіюча цифрова обробка сигналу ефективно виділяє мовний діапазон, помітно знижуючи зайві звуки області низьких і високих частот. Мікрофон має подвійну цифрову систему Автоматичного Регулювання Посилення зі швидкістю реагування менше однієї тисячної частки секунди. Зовнішній регулятор дозволяє настроїти чутливість цифрового мікрофона для будь-яких умов експлуатації. IP мікрофон Цифровий мікрофон ідеально підходить для підключення до лінійного входу IP камер, ідеально передаючи акустичну картину навколишнього середовища. Це застосування практично робить його повноцінним IP мікрофоном. Також, безперечним плюсом цього рішення, є можливість встановлення цифрового мікрофона в будь-якому місці, незалежно від місця встановлення IP камери. Цифровий сигнальний процесор, що швидко діє Мініатюрний цифровий сигнальний процесор (DSP) забезпечує оцифрування аудіосигналу зі звукового капсуля з частотою оцифрування 44100 Гц і дискретизацією 16 біт. Відмінною особливістю процесора є наявність 2-х швидкісних АРУ, що забезпечують блискавичне автоматичне регулювання посилення, як на вході, так і на виході пристрою. 6 цифрових фільтрів процесора обробляють сигнал таким чином, щоб на лінійному виході залишався тільки мовний діапазон. Точний вбудований підсилювач гарантує високе відношення сигнал/шум. Керуючий процесор цифрового мікрофона Центральний керуючий процесор цифрового мікрофона забезпечує регулювання посилення мікрофона та керування параметрами обробки сигналу. Процесор гарантує швидкий вихід мікрофона на робочий режим після подачі живлення завдяки високошвидкісній лінії обміну з сигнальним процесором. Вітровий захист цифрового мікрофону Для ідеальної передачі звуку цифровий мікрофон забезпечений фільтром вітрового захисту. Виключаючи вітрову складову, фільтр з акустичного матеріалу відсікає небажані звуки, що виникають при зіткненні вітрових потоків з чутливою мембраною, в результаті чого виходить кришталевий звук. Наявність вітрового захисту дозволило створити ефективний мікрофон для голосу. Оптимізація мікрофона під мовний діапазон Смуга пропускання цифрового мікрофона налаштована на частотний діапазон людського мовлення лежить у межах 270...4000 Гц. Завдяки цій смузі пропускання досягається чудова розбірливість мови, незалежно від сторонніх джерел шуму. Обробка сигналу здійснюється шістьма цифровими швидкодіючими фільтрами, що гарантує високу крутизну амплітудно-частотної характеристики в області низьких та високих частот. Подвійна система АРУ Мікрофон забезпечений двома цифровими швидкодіючими автоматичними регулюваннями посилення (АРУ). Перша АРУ регулює посилення на вході мікрофона, відразу після оцифрування сигналу з капсуля, причому швидкість реакції зміну рівня звуку становить менше 1/1000 секунди. Це дозволяє зреагувати на будь-які, навіть незначні зміни звукової обстановки навколишнього середовища. Друга АРУ обробляє сигнал на виході мікрофона, надійно підтримуючи стабільний рівень вихідного сигналу. Швидкість реагування вихідної системи АРУ також становить менше 1/1000 секунди. Зручне регулювання Зручне розташування регулювання чутливості забезпечує легкість підстроювання посилення мікрофона. Особливість високочутливого мікрофона у тому, що регулювання коефіцієнта посилення відбувається на початок обробки АРУ. Це дозволяє легко досягти бажаної якості звуку. Смуга пропускання мікрофона підібрана таким чином, щоб пропускати голосові частоти, за винятком появи небажаних звуків від високочастотних джерел.Опис STELBERRY M-50
Технічні характеристики STELBERRY M-50
Цифровий мікрофон Stelberry M-50 з регульованим коефіцієнтом посилення побудований на спеціалізованому процесорі. Процес роботи мікрофона є аналого-цифрове перетворення сигналу мікрофонного капсуля, наступну цифрову фільтрацію отриманого сигналу, і зворотне цифро-аналогове перетворення. Цифрові фільтри чутливого мікрофона M-50 налаштовані на діапазон людської мови. Звукові частоти, що знаходяться за межами діапазону частот 270...4000 Гц мікрофоном, істотно послаблюються. Дуже швидке АРУ (автоматичне регулювання посилення) цифрового мікрофона дозволяє комфортно використовувати його в приміщенні з різкими перепадами гучності звуку або людської мови.
Цифровий мікрофон M-50 добре підходить як мікрофон для запису голосу до проектів, що акцентують увагу на запис розмов. Ідеально підходить як зовнішній високочутливий мікрофон для відеокамер та аудіореєстраторів чутливих до рівня вхідного сигналу, які не мають власних засобів фільтрації звуку.
Чутливий мікрофон Stelberry M-50 застосовується як зовнішній мікрофон для різних камер відеоспостереження, в тому числі і IP камер, для аудіомоніторингу приміщень, як високочутливий мікрофон для запису голосу в системах реєстрації розмов і в системах розпізнавання мови.
Розміщення цифрового мікрофона з АРУ Stelberry M-50 у приміщенні
При розташуванні мікрофона M-50 у кутку приміщення та при налаштуванні максимальної чутливості мікрофона зона комфортного прослуховування буде відповідати площі чверті кола в 50м². При подальшому віддаленні від мікрофона рівень його вихідного сигналу поступово слабшатиме аж до межі акустичної чутності в 20 метрів.
Підключення цифрового мікрофона з АРУ STELBERRY M-50 до IP-камери
Цифровий мікрофон M-50 підключається безпосередньо до лінійного аудіовходу відеокамери. Підключення мікрофона до камери здійснюється таким чином. Жовтий провід мікрофона M-50, до вхідного роз'єму камери «Джек-3,5мм», підключається до кінцевого (центрального) та кільцевого контакту роз'єму (Уточнюєте у посібнику камери.). Якщо в камері або IP камері для аудіовходу використовується роз'єм RCA («тюльпан»), то до центрального контакту роз'єму RCA. Чорний дріт цифрового мікрофона M-50 підключається до загального (корпусного) контакту роз'єму "Джек-3,5мм" (або кільцевого зовнішнього контакту роз'єму RCA), і до "мінусового" загального проводу стабілізованого джерела живлення. Червоний провід мікрофона підключається до «плюсового» дроту стабілізованого джерела живлення.
Діаграма спрямованості цифрового мікрофона з АРУ та регулюванням посилення Stelberry M-50
Цифровий мікрофон мовного діапазону частот Stelberry M-50 всеспрямований і має кругову діаграму спрямованості з невеликим послабленням чутливості мікрофона з боку регулятора чутливості. Діаграма спрямованості наведена для мікрофонного капсуля, що використовується в мікрофоні з урахуванням впливу корпусу мікрофона.
Мікрофони Stelberry
Останніми роками на ринку електронних компонентів з'явилися цифрові МЕМС-мікрофони. До їх переваг відносяться: висока чутливість, лінійність АЧХ у робочій смузі частот, повторюваність параметрів та малі габаритні розміри. Використання цифрового МЕМС-мікрофона позбавляє також проблем, пов'язаних з шумами аналогових ланцюгів, і робить можливим безпосереднє підключення мікрофона до процесора. Ці переваги нас зацікавили і ми спробували реалізувати їх на практиці.
На момент початку робіт у ТОВ "Друга лабораторія" було кілька досвідчених зразків мікрофонів ADMP421 виробництва Analog Devices. Потім у нас з'явилися цифрові МЕМС-мікрофони SPM0405HD4H-WB виробництва Knowles Electronics. Результати робіт із переліченими мікрофонами стали основою для написання цієї статті.
Цифровий мікрофон можна підключити до аудіокодека, який має відповідний інтерфейс [наприклад, 8–10]. Але нас зацікавила можливість безпосереднього підключення цифрового мікрофона до мікроконтролера. Таке рішення дозволяло відмовитися від використання аудіокодеку, що зменшувало габаритні розміри та додатково знижувало ціну виробу. Для попередньої оцінки очікуваних значень параметрів (необхідна продуктивність мікроконтролера, споживана потужність, чутливість, динамічний діапазон, КНД, смуга робочих частот) була виконана невелика ДКР. За її результатами було прийнято остаточне рішення щодо схемотехніки, програмного забезпечення та застосовуваної елементної бази.
Підключення цифрових мікрофонів до мікроконтролерів
Інтерфейс між мікроконтролером та цифровим мікрофоном простий, а інформація щодо його реалізації в достатньому обсязі викладена на сайтах виробників та докладно описана іншими авторами. Як правило, цифрові мікрофони мають п'ять висновків, короткий опис яких наведено в таблиці. Електричні та часові параметри висновків мікрофонів наведені у їх специфікаціях.
Таблиця.Опис висновків цифрових мікрофонів
| № | Назва висновку |
Короткий опис |
| 1 | VDD | Живлення мікрофона |
| 2 | GND | «Земля» |
| 3 | CLK | Вхідний тактуючий сигнал, синхронно з яким лінія DATA перемикає свої стани |
| 4 | DATA | Протягом однієї половини CLK-циклу цей висновок перебуває у стані високого імпедансу, а протягом другої половини служить висновком для зчитування даних з виходу Σ-Δ модулятора мікрофону |
| 5 | L/R_Sel | Цей висновок використовується для керування перемиканням лінії DATA. Якщо L/R_Sel підключений до VDD, то через деякий час після виявлення зростаючого фронту сигналу CLK висновок DATA переходить у стан високого імпедансу, а після приходу падаючого фронту сигналу CLK висновок DATA підключається до виходу Σ-Δ модулятора мікрофона. Якщо L/R_Sel підключений до GND, фронти сигналу CLK, якими перемикається лінія DATA, змінюються на протилежні |
Для оцінки необхідної продуктивності мікроконтролера було використано налагоджувальну плату ADSP-BF538 EZ KIT Lite компанії Analog Devices. До цієї плати мікрофони можна підключити за допомогою інтерфейсів SPI або SPORT. Перший із названих інтерфейсів більш поширений, і тому ми використовували цей інтерфейс як Slave. Для формування тактового сигналу CLK застосовувався апаратний таймер, що є в мікроконтролері. Для отримання вихідних відліків зі стандартною частотою дискретизації 16 кГц за коефіцієнта децимації 128 необхідна тактова частота CLK повинна бути 2,048 МГц. Як джерело тактового сигналу для процесора на платі налагодження використовувався генератор з частотою 12,288 МГц, що забезпечує при розподілі на 6 необхідну тактову частоту для цифрового мікрофона. Для мінімізації навантаження на процесор, прийому вихідної інформації від мікрофонів, використовувався механізм DMA-пересилок.
У процесі моделювання було розраховано та експериментально перевірено, що для обробки даних з мікрофона процесор повинен мати продуктивність близько 8 MIPS. Оцінка необхідної продуктивності дозволила зробити висновок про можливість застосування більш простого мікроконтролера з меншою споживаною потужністю. З трьох альтернативних варіантів (ARM, PIC, MSP430) було обрано мікроконтролер MSP430F5418 виробництва Texas Instruments, що має мінімальну споживану потужність (165 мкА/MIPS). Надалі для перевірки споживаної потужності та відпрацювання програмного забезпечення використовувалася налагоджувальна плата MSP-EXP430F5438 Experimenter Board цієї компанії.
На рис. 1 представлені спрощені схеми підключення цифрових мікрофонів до використаних при макетуванні налагоджувальних плат, дозволяють повністю зимитувати пристрої зчитування, відтворення або зберігання даних з мікрофонів.
Мал. 1.Схема підключення цифрового мікрофона до плати: а) ADSP-BF538 EZ KIT Lite; б) MSP-EXP430F5438
Процес перетворення вхідного аудіосигналу у мікрофоні
Мал. 2.Спрощена модель МЕМС-мікрофону
Кожен цифровий МЕМС-мікрофон можна спрощено подати у вигляді моделі, показаної на рис. 2. Вхідні звукові коливання за допомогою МЕМС-мембрани перетворюються на слабкий електричний сигнал, який далі надходить на вхід підсилювача А. Далі сигнал проходить через аналоговий фільтр низьких частот, який необхідний для захисту від накладання спектрів. Кінцевим елементом обробки сигналу в мікрофоні є Σ-Δ модулятор 4-го порядку, що перетворює аналоговий вхідний сигнал в однобітний цифровий потік. Частота проходження бітів даних з виходу Σ-Δ модулятора дорівнює частоті вхідного тактуючого сигналу CLK і, як правило, лежить в діапазоні від 1 до 4 МГц.
Вимірювання параметрів цифрових мікрофонів
Для проведення вимірювань застосовувалася наступна апаратура: шумомір CENTER-325, генератор низькочастотних сигналів Г3-118, вимірник нелінійних спотворень С6-11, випромінювач від навушників Dialog M-881HV та ПЕОМ.
Мал. 3.Частотний відгук мікрофона ADMP421
У часовій області дані з виходу Σ-Δ модулятора представляють безладний набір нулів та одиниць. Однак, якщо кожному високому логічному рівню виходу мікрофона порівняти значення 1.0, а кожному низькому рівню значення -1.0 і потім виконати перетворення Фур'є, то отримаємо спектрограму вихідних даних з мікрофона. На рис. 3 та 4 представлені відгуки мікрофонів ADMP421 та SPM0405HD4H-WB на вхідний синусоїдальний аудіосигнал з частотою 1 кГц та рівнем 94 дБ SPL. Вимірювання проводилися для трьох значень частоти CLK сигналу - 512, 1024 та 2048 кГц. (Для зменшення обсягу статті, що публікується, матеріали для частоти 1024 кГц не наводяться.) Спектрограми були побудовані на довжині вибірки в 1281024 відліків.
Мал. 4.Частотний відгук мікрофона SPM0405HD4H-WB
Судячи з спектрограм, шуми квантування зміщені межі звукового діапазону частот і впливають вхідний аудіосигнал. При цьому шуми квантування зміщуються далі в область високих частот, чим вище частота дискретизації мікрофонів. Приблизно граничну частоту, від якої починається зростання рівня шумів, можна визначити як F clk/100. Хоча в специфікаціях на мікрофони робочу частоту нормують приблизно від 1 до 3 МГц, але, як свідчать спектрограми, мікрофони нормально працюють і нижчих тактових частотах. Це може бути дуже корисним, коли виникне необхідність зниження кількості обчислень на мікроконтролері, хоча, звичайно, при цьому звузиться і робоча звукова смуга.
Також можна спостерігати, що обох мікрофонів у вихідному сигналі міститься постійна складова (в останніх модифікаціях мікрофонів цей ефект усунений ). Причому рівень постійної складової можна порівняти за рівнем з вимірюваним сигналом. До того ж значення постійної складової, як мінімум, залежить від напруги живлення. Ця властивість вимагала реалізації в мікроконтролері рекурсивного алгоритму, що усуває постійне усунення.
Якщо порівняти мікрофони за рівнями шумів, що вносяться, то неважко помітити, що мікрофон ADMP421 має краще відношення сигнал/шум в порівнянні з мікрофоном SPM0405HD4H-WB - приблизно на 5-6 дБ, а також нижчий рівень шумів квантування.
Якщо ж порівняти рівні нелінійних спотворень, то буде видно, що в спектрограмах обох мікрофонів присутні лише другі гармоніки, тому що амплітуда другої гармоніки у мікрофона фірми Knowles Electronics значно нижча, ніж у мікрофона фірми Analog Devices. Цей факт представляє особливий інтерес, оскільки обидві фірми нормують лише максимальний КНД і лише для певного рівня звукового тиску. Насправді цих даних буває недостатньо. Наприклад, неможливо порівняти реальні значення КНІ різних мікрофонів. До того ж в даний час загальноприйнята практика нормування КНД по лінійному входу пристроїв, що записують, без урахування спотворень, що вносяться мікрофонами.
Тому, щоб оцінити характер залежності КНІ від рівня звукового тиску, був поставлений експеримент, який включав наступні етапи:
- Вплив на мікрофонний вхід синусоїдальним аудіосигналом із частотою 1 кГц та запис однобітних даних з виходу мікрофона на flash-пам'ять (звуковий тиск вхідного сигналу змінюється від 87,5 до 115 дБ SPL з кроком 2,5 дБ SPL).
- Математична обробка однобітних даних з мікрофона за допомогою цифрового фільтра нижніх частот з метою отримання цифрового детермінованого сигналу і відсікання шумів квантування.
- Відтворення на ПК оброблених цифрових даних та вимірювання КНІ сигналу з виходу звукової карти ПК за допомогою вимірювача нелінійних спотворень С6-11 (нелінійні спотворення, що вносяться звуковою картою, не перевищують 0,1%).
- Реєстрація показань приладу С6-11 кожного значення звукового тиску вхідного аудіосигналу.
Мал. 5.Залежність КНІ мікрофонів від рівня звукового тиску
Результати проведеного експерименту наведено на рис. 5. З наведеного графіка випливає, що при звуковому тиску менше 97 дБ SPL КНІ мікрофонів ADMP421 та SPM0405HD4H-WB не перевищує 1% та 0,3% відповідно. При більшому звуковому тиску КНД мікрофона ADMP421 значно вище, ніж мікрофона SPM0405HD4H-WB, а при тиску вище 110 дБ SPL у обох мікрофонів спостерігається різке зростання рівня нелінійних спотворень. Загалом можна дійти невтішного висновку, що мікрофон фірми Knowles Electronics придатний до використання у ширшому діапазоні звукового тиску. Також слід зазначити, що значення КНІ мікрофонів, що наводяться в документації, нормуються при максимальному звуковому тиску. Реальні значення КНІ при менших значеннях звукового тиску є значно нижчими, і мікрофони можна використовувати для високоякісного запису аудіосигналів.
Однак мікрофон ADMP421 має іншу перевагу. Ця модель мікрофонів практично нечутлива до перешкод по шині живлення, навіть якщо останні досягають значень 200-300 мВ. На рис. 6 показаний випадок, коли в шині живлення мікрофонів є штучно введені імпульсні перешкоди. Такий випадок можливий, якщо аудіопристрій працює в імпульсному режимі споживання (наприклад, циклічний запис даних з мікрофона на flash-пам'ять під час живлення від малопотужного джерела).
Мал. 6.Імпульсні перешкоди в ланцюзі живлення мікрофонів
Мал. 7.Тимчасова діаграма сигналу з мікрофонів при дії імпульсної перешкоди в ланцюзі живлення
На рис. 7 представлений вихідний сигнал із мікрофонів, пропущений через ЦФНЧ з амплітудно-частотною характеристикою, показаною на рис. 9. Для реєстрації перешкод із живленням у процесі запису не використовувався будь-який опорний звуковий сигнал. Щоб можна було оцінити амплітуду перешкод із виходу мікрофона, у верхній частині рис. 7 наведено синусоїдальний звуковий сигнал 80 дБ SPL, записаний без перешкод по живленню.
Мал. 8.Спрощена схема цифрового перетворювача сигналу Σ-Δ модулятора
Мал. 9.АЧХ програмного дециматора, реалізованого на процесорах ADSP-BF538F та MSP430F5438
Щоб усунути вплив перешкод по ланцюгах живлення, нам довелося використовувати RC-фільтр, що згладжує.
Обробка даних із виходу цифрового мікрофона
Для виділення сигналу звукової смуги частот дані з мікрофона повинні бути відфільтровані та передискретизовані зі зниженою частотою (зазвичай у 50-128 разів меншою частоти дискретизації Σ-Δ модулятора). Цифровий фільтр нижніх частот відсіває зовнішній шум і власний шум мікрофона за межами робочої лінії ( f >F clk /2М) з метою захисту від накладання спектрів, а також дає можливість знизити частоту проходження даних. На рис. 8 представлений один з можливих варіантів обробки однобітового потоку даних з мікрофона, що реалізується програмно DSP або апаратно в звукових кодеках.
Зображена на рис. 8 схема стиснення (компресор) частоти дискретизації знижує частоту дискретизації за рахунок того, що з кожних Мвибірок відфільтрованого сигналу w(mM) відкидається M-1 Вибірка. Вхід та вихід перетворювача, зображеного на рис. 8, пов'язані наступним виразом:
При програмній реалізації перетворювачів частоти як цифровий ФНЧ можуть використовуватися як КІХ-, так і БІХ-фільтри. Розробникам слід дуже уважно підходити до вибору типу фільтра, його довжини та розрядності, оскільки від цього залежить продуктивність всієї системи в цілому. Правильно розрахований та реалізований дециматор (перетворювач частоти) у деяких випадках дозволить значно знизити вартість продукції та підвищити її технічні характеристики. Як довідку зазначимо, що в процесі розробки диктофонів «Сорока-1» та «Сорока-2» програмні дециматори, що знижують частоту в 64 рази (з 1,024 МГц до 16 кГц), були успішно реалізовані як на високопродуктивному процесорі ADSP-BF538F, так і і на мікроконтролері MSP430F5438 з робочою тактовою частотою 12,288 МГц. Амплітудно-частотна характеристика цифрового ФНЧ, що входить до складу реалізованого дециматора, наведена на рис. 9. Для отримання повної інформації з практичних питань цифрової фільтрації слід звернутися до розділів 6–9 книги.
Як другий варіант для перетворення даних з виходу цифрового мікрофона можна використовувати пристосовані для цього звукові кодеки, що істотно скоротить час розробки виробу. Наприклад, фірма Analog Devices пропонує використовувати кодеки ADAU1361 та ADAU1761, які однаково підійдуть для мікрофонів ADMP421 та SPM0405HD4H.
Вимірювання з необхідною точністю АЧХ для робочої смуги частот виявилося досить складним завданням через відсутність у лабораторії акустичного випромінювача з лінійною амплітудною характеристикою звукового тиску. Оцінки результуючої АЧХ показують її лінійність у робочій смузі частот з похибкою близько ±4 дБ. Тому при оцінці лінійності АЧХ ми вважали за правильне спиратися на заявлені характеристики виробників і розрахункові характеристики фільтрів низької частоти з пульсацією в смузі пропускання менше 1 дБ.
МЕМС-мікрофони відкривають перед розробниками звукової апаратури нові можливості. Процес створення цифрових звукових пристроїв стає простим у плані апаратної реалізації та складним у плані написання програм для мікроконтролерів, що використовуються. Ми сподіваємося, що наведена в цій статті інформація про методики та параметри буде цікава багатьом інженерам.
Завантаження...
