远场应用中的模拟麦克风和 ADC 系统

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摘要

远场音频应用（例如 AI 扬声器和条形音箱、AI 电视和其他声控产品）需要具备以下特性：

较宽的 DR（动态范围）
高 AOP（声学过载点）
低 THD（即使对于非常嘈杂的信号，总谐波失真也很低）
低等效输入噪声
体积小，功耗低

所有这些电气规格都使语音命令程序能够获得精确的语音命令识别，而不会出现任何意外错误。本应用报告讨论并展示了德州仪器 (TI) 的 TLV320ADC51x0/PCM51x0-Q1 系统模拟麦克风在远场音频应用中的优势。

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1 近场和远场

1.1 定义

近场和远场是与声源之间的物理距离的构成要素，如图 1-1 中所示。这取决于听者与声音投射对象之间的距离。在不同的距离，可以听到波长发出的声能不同。准确理解这些差异并设计测量机制是一个主要问题。图 1-1 表示在第二个波长之前是近场，从第二个波长开始是远场范围。

图 1-1 声源的近场和远场

远场范围内的基本理念是，与声源的距离每增加一倍，声压就会降低 6dB。对于大多数语音识别系统，指挥官都位于远场范围内。

2 远场应用中的组成要素

若要获得更精确的语音激活系统，远场应用必须获得这些元素，尤其是用于语音识别应用时。

表 2-1 说明了要获得更好的语音识别系统必须具备的组成要素。

表 2-1 远场应用的组成要素

应用要求	系统规格要求
清晰澄澈无失真音频采集	较宽的动态范围麦克风和 ADC
在嘈杂的环境中，麦克风靠近扬声器	高 AOP（声学过载点）低 THD（即使对于非常嘈杂的信号，总谐波失真也很低）
远场录音	低 EIN（等效输入噪声）
便携性	外形小巧低功耗

3 了解数字麦克风和模拟麦克风

麦克风是一种将声压转换为电信号的传感器。共有两种收集声波的麦克风。一种是数字类型麦克风，另一种是模拟类型麦克风。本节介绍了麦克风的表现形式：数字 PDM（脉冲密度调制）麦克风和带 ADC 的模拟麦克风。

3.1 数字 PDM 麦克风系统

数字 PDM 麦克风将 1 位流作为输出，并直接输出 Σ-Δ 调制器。PDM 的采样率通常在几百 kHz 至 3.072MHz 之间。此 Σ-Δ 调制器需要一个抽取滤波器才能进一步处理 PDM 数据。抽取滤波器植入编解码器或与 PDM 麦克风相连的 DSP 中。该滤波器的输出以 16 和 48kHz 的较低采样率发送数据。这是一个比节 3.2 中所示具有 ADC 系统的模拟麦克风更弱的点。然而，与 I2S 麦克风相比，PDM 麦克风确实具有一些优势。PDM 麦克风通常只需要两条信号线（PDM 时钟和 PDM 数据）作为音频接口，而 I2S 需要三条或四条线（位时钟、字时钟、音频数据，偶尔还有主时钟）。这就引出了一个有益的想法，即硬件工程师可以轻松地减少物理接口线。

图 3-1 1 位输出的数字 PDM 麦克风

3.2 带 ADC 系统的模拟麦克风

基于德州仪器 (TI) TLV320ADC51x0/PCM51x0-Q1 且带有 ADC 系统的模拟麦克风使用多位调制 ADC 和 I2S（或 PCM、TDM、DSP）接口来投射范围大于 24 位的音频数据，如图 3-2 中所示。这与 PDM 麦克风不同，PDM 麦克风结合使用 1 位调制和 PDM 接口。对于如图 3-2 中所示的带 ADC 投射的模拟麦克风，ADC 输出的 I2S 音频信号需要比两个 PDM 信号多一条或两条接口线。模拟麦克风在量化噪声特性方面具有带内（20Hz 至 20KHz）和带外（20KHz 以上）优势（节 4 中对此进行了详细说明）。这是因为数字 PDM 麦克风使用 1 位 ADC 调制器，时钟频率为 3.072MHz，而带 ADC（德州仪器 (TI) 的 TLV320ADC51x0/PCM51x0-Q1）的模拟麦克风使用多位架构，调制器时钟频率为 6.144MHz，这使其在量化噪声密度方面具有卓越的质量。

图 3-2 用于多位输出且带 ADC 的模拟麦克风