本發(fā)明涉及音頻數(shù)據(jù)處理，特別是涉及一種基于三角構(gòu)型的數(shù)字陣列麥克風(fēng)及數(shù)字麥克風(fēng)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、數(shù)字麥克風(fēng)是現(xiàn)代音頻技術(shù)的一項(xiàng)重要進(jìn)展，它通過內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)將聲音信號(hào)直接從模擬形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，從而優(yōu)化了音頻信號(hào)的處理和傳輸過程。與傳統(tǒng)的模擬麥克風(fēng)相比，數(shù)字麥克風(fēng)展現(xiàn)了諸多顯著的優(yōu)勢(shì)，包括更高的信噪比、更低的總諧波失真(thd)以及更廣的動(dòng)態(tài)范圍。這些特性使得數(shù)字麥克風(fēng)在捕捉聲音時(shí)能夠更準(zhǔn)確地保留原始信號(hào)的質(zhì)量，即使在背景噪聲較高或者聲音動(dòng)態(tài)范圍較大的環(huán)境下也能保持良好的錄音效果。

2、數(shù)字麥克風(fēng)的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是其對(duì)電磁干擾的抵抗能力強(qiáng)。由于信號(hào)在麥克風(fēng)內(nèi)部即被轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，相較于模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸過程中對(duì)外部干擾的敏感度顯著降低。這一點(diǎn)對(duì)于需要長(zhǎng)線纜傳輸或者在電磁干擾較強(qiáng)的環(huán)境下使用的應(yīng)用場(chǎng)景尤為重要。

3、在應(yīng)用方面，數(shù)字麥克風(fēng)廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合，從消費(fèi)電子產(chǎn)品(如智能手機(jī)、平板電腦、智能音箱等)到專業(yè)音頻錄制設(shè)備，乃至遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)。其高度的集成性和優(yōu)異的性能使得數(shù)字麥克風(fēng)成為提升音頻輸入質(zhì)量的理想選擇。

4、雖然數(shù)字麥克風(fēng)被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備和系統(tǒng)中，提供了清晰的音質(zhì)和高度的數(shù)字兼容性，但是由于其依賴單一壓電傳感模塊來捕捉聲音，因此在復(fù)雜環(huán)境下面臨著明顯的性能限制。這主要表現(xiàn)為難以有效分離多個(gè)聲源和控制背景噪聲，特別是在需要精確聲源定位和高質(zhì)量音頻捕捉的應(yīng)用場(chǎng)合，如多人會(huì)議系統(tǒng)和智能家居設(shè)備。這些限制減少了數(shù)字麥克風(fēng)在高端音頻應(yīng)用市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。具體表現(xiàn)如下：

5、1.單一傳感模塊的性能局限：市場(chǎng)上的數(shù)字麥克風(fēng)普遍只配備一個(gè)壓電傳感模塊，這意味著它們的聲音捕捉能力僅限于單點(diǎn)信號(hào)處理。在需要區(qū)分多個(gè)聲源或在嘈雜背景中清晰捕捉聲音的場(chǎng)景中，這種配置的麥克風(fēng)難以滿足高質(zhì)量音頻處理的需求。隨著用戶對(duì)音頻性能要求的提高，單傳感模塊的數(shù)字麥克風(fēng)在諸多應(yīng)用場(chǎng)合已顯示出其局限性。

6、2.陣列配置的成本和復(fù)雜性：盡管通過組合使用多個(gè)獨(dú)立的單傳感模塊麥克風(fēng)來形成一個(gè)陣列是一個(gè)可行的解決方案，這樣做會(huì)引入額外的復(fù)雜性和成本。組建麥克風(fēng)陣列需要復(fù)雜的硬件配置和精細(xì)的同步機(jī)制，增加了系統(tǒng)的整體成本和操作難度。此外，這種方法也需要較為復(fù)雜的信號(hào)處理算法，這在成本和技術(shù)實(shí)施方面與傳統(tǒng)模擬麥克風(fēng)系統(tǒng)相比并無太大優(yōu)勢(shì)。

7、3.增加軟件開發(fā)和維護(hù)成本：使用多麥克風(fēng)陣列還涉及到軟件和算法的定制開發(fā)，包括波束形成和聲源定位算法的開發(fā)。這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不僅要求高水平的專業(yè)知識(shí)，還需要顯著的時(shí)間和資金投入，特別是在調(diào)試和優(yōu)化過程中，成本會(huì)進(jìn)一步上升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于三角構(gòu)型的數(shù)字陣列麥克風(fēng)及數(shù)字麥克風(fēng)系統(tǒng)，用于解決以上現(xiàn)有技術(shù)問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于三角構(gòu)型的數(shù)字陣列麥克風(fēng)，包括：呈等邊三角形陣列排布的三個(gè)mems模塊；每個(gè)mems模塊用于分別將各自接收到的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)；與各mems模塊對(duì)應(yīng)連接的三個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于分別將每個(gè)mems模塊輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；信號(hào)處理模塊，連接各模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于根據(jù)由三個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的三路數(shù)字信號(hào)，并結(jié)合來自主控芯片的控制信號(hào)，執(zhí)行波束形成和聲源定向的操作，獲得增強(qiáng)信號(hào)且同時(shí)向主控芯片發(fā)送定向結(jié)果；調(diào)制模塊，連接所述信號(hào)處理模塊，用于對(duì)所述信號(hào)處理模塊輸出的增強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行多比特轉(zhuǎn)1比特的數(shù)字調(diào)制處理，獲得調(diào)制信號(hào)；接口模塊，連接所述調(diào)制模塊，用于將由所述調(diào)制模塊輸出的調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)化為pdm信號(hào)，并發(fā)送至所述主控芯片。

3、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述信號(hào)處理模塊，用于由輸入的三路數(shù)字信號(hào)形成指向三個(gè)不同方向的波束，并依據(jù)主控芯片的控制信號(hào)判斷聲源方向，且將對(duì)應(yīng)方向的波束信號(hào)作為增強(qiáng)信號(hào)輸出，同時(shí)將定向結(jié)果發(fā)送至所述主控芯片。

4、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述由輸入的三路數(shù)字信號(hào)形成指向三個(gè)不同方向的波束，并依據(jù)主控芯片的控制信號(hào)判斷聲源方向包括：將三路數(shù)字信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為頻域，獲得三路頻域信號(hào)；基于同時(shí)輸入的三路頻域信號(hào)，形成指向三個(gè)不同方向的濾波信號(hào)；將指向三個(gè)不同方向的濾波信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為時(shí)域，獲得指向三個(gè)不同方向的波束信號(hào)；基于主控芯片的控制信號(hào)，根據(jù)指向三個(gè)不同方向的波束信號(hào)判斷聲源方向。

5、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述信號(hào)處理模塊包括：三個(gè)stft處理單元，用于分別將各自輸入的一路數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)；三個(gè)波束形成器，分別連接三個(gè)stft處理單元，用于分別根據(jù)同時(shí)輸入的三路頻域信號(hào)形成指向?qū)?yīng)方向的濾波信號(hào)；其中，三個(gè)波束形成器所形成的濾波信號(hào)指向三個(gè)不同方向；三個(gè)istft處理單元，分別與一波束形成器對(duì)應(yīng)連接，用于分別將各自輸入的指向?qū)?yīng)方向的濾波信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)域，獲得指向該方向的波束信號(hào)；所述波束選擇及定向單元，連接各istft處理單元，用于輸入指向三個(gè)不同方向的波束信號(hào)，且結(jié)合由所述主控芯片實(shí)時(shí)發(fā)送的控制信號(hào)確定聲源方向，并將對(duì)應(yīng)方向的波束信號(hào)作為增強(qiáng)信號(hào)輸出，同時(shí)將確定的聲源方向作為定向結(jié)果發(fā)送至所述主控芯片。

6、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，每個(gè)波束形成器中預(yù)先設(shè)置有與其所形成的濾波信號(hào)的指向方向相匹配的波束形成系數(shù)；每個(gè)波束形成器利用預(yù)先設(shè)置的波束形成系數(shù)計(jì)算指向相應(yīng)方向的濾波信號(hào)。

7、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，三個(gè)波束形成器中各自預(yù)先設(shè)置的的波束形成系數(shù)由三個(gè)mems模塊間的相對(duì)位置以及三個(gè)方向上聲波到達(dá)各mems模塊的相對(duì)到達(dá)時(shí)間差計(jì)算。

8、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，每個(gè)波束形成器將同時(shí)輸入的三路頻域信號(hào)經(jīng)過預(yù)先設(shè)置的波束形成系數(shù)加權(quán)后求和，獲得指向?qū)?yīng)方向的濾波信號(hào)。

9、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述波束選擇及定向單元，用于在接收到指定波束方向的控制信號(hào)時(shí)，直接將指定方向的波束信號(hào)作為增強(qiáng)信號(hào)輸出，同時(shí)將指定方向作為定向結(jié)果發(fā)送至所述主控芯片；在接收到非指定波束方向的控制信號(hào)時(shí)，利用最佳波束方向確定流程確定最佳波束方向，并將對(duì)應(yīng)方向的波束信號(hào)作為增強(qiáng)信號(hào)輸出，同時(shí)將確定的最佳波束方向作為定向結(jié)果發(fā)送至所述主控芯片。

10、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述最佳波束方向確定流程包括：根據(jù)指向每個(gè)方向的波束信號(hào)計(jì)算各方向波束形成輸出的功率；根據(jù)各方向波束形成輸出的功率確定使波束形成輸出的功率最大化的方向，并將該方向作為最佳波束方向。

11、為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種數(shù)字麥克風(fēng)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：主控芯片以及基于三角構(gòu)型的數(shù)字陣列麥克風(fēng)；其中，所述主控芯片與所述數(shù)字陣列麥克風(fēng)通過接口通信連接。

12、如上所述，本發(fā)明提供一種基于三角構(gòu)型的數(shù)字陣列麥克風(fēng)及數(shù)字麥克風(fēng)系統(tǒng)，具有以下有益效果：本發(fā)明將三個(gè)壓電傳感模塊以三角陣列形式集成在一個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)中，且將預(yù)先設(shè)計(jì)的波束形成和定向算法集成到麥克風(fēng)內(nèi)部，該設(shè)計(jì)不僅保留了數(shù)字麥克風(fēng)的高清晰度、低功耗和強(qiáng)兼容性，還通過三角陣列布局實(shí)現(xiàn)了更精準(zhǔn)的聲源定位和更高質(zhì)量的聲音捕捉。同時(shí)，這種一體化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了制造流程，降低了成本，同時(shí)提高了設(shè)備的集成便捷性。內(nèi)置的波束形成和定向算法進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的易用性和性能穩(wěn)定性，無需復(fù)雜配置即可享受高級(jí)聲音處理功能。此外，由于算法直接集成在采集端，處理時(shí)延得以優(yōu)化，聲音清晰度和準(zhǔn)確性大幅提高。