УСТРОЙСТВО СИНХРОННОГО СБОРА ДАННЫХ С МАССИВА MEMS МИКРОФОНОВ C PDM ИНТЕРФЕЙСОМ

Область техники.
Полезная модель относится к устройствам сбора данных и к компонентам электронно-вычислительных машин, обеспечивающих измерение и обработку акустической информации.
Уровень техники.
Из уровня техники известно устройство сбора и обработки данных с MEMS микрофонов, описанное в заявке US 2016150325 (A1), опубл. 26.05.2016. Недостатками данного устройства является его сложная конструкция, которая отрицательно сказывается на величине соотношения сигнал/шум (SRN). Кроме того, данное устройство не обладает возможностью синхронного сбора и обработки данных с MEMS микрофонов с интерфейсом импульсно-плотностной модуляции (PDM).
Сущность полезной модели.
Заявленное техническое решение решает задачу по улучшению качества распознавания речи с применением массива микрофонов в контексте увеличения технических показателей, снижения стоимости и упрощения устройства данного массива.
Техническим результатом заявленного решения является повышение величины соотношения сигнал/шум (SNR) в данных, синхронно собираемых и обрабатываемых с по меньшей мере двух MEMS микрофонов с интерфейсом PDM.
Данный результат достигается за счет использования блока цифрового фильтра для сигма-дельта модулятора (DFSDM), выполненного с возможностью синхронного сбора и синхронной обработки информации с упомянутых MEMS микрофонов через интерфейс PDM.
Для обеспечения указанного технического результата было разработано устройство сбора данных с по меньшей мере двух MEMS микрофонов с интерфейсом PDM, содержащее
по меньшей мере два MEMS микрофона с интерфейсом PDM;
блок DFSDM, информационные входы (DATA) которого соединены с MEMS микрофонами; и
источник тактирования, соединенный с MEMS микрофонами и блоком DFSDM;
причем блок DFSDM выполнен с возможностью синхронного сбора и синхронной обработки информации с упомянутых MEMS микрофонов через интерфейс PDM;
блок хранения данных, выполненный с возможностью хранения результатов обработки информации с упомянутых MEMS микрофонов.
Краткое описание чертежей.
Для лучшего понимания сущности полезной модели и чтобы более ясно показать, каким образом она может быть осуществлена, далее будет сделана ссылка, лишь в качестве примера, на прилагаемые чертежи, на которых
фиг. 1 – графическое пояснение процесса суммирования данных, полученных с PDM микрофона;
фиг. 2 - блок-схема устройства сбора данных;
фиг. 3 – блок-схема тракта синхронизации и обработки.
Осуществление полезной модели.
В последнее время значительное распространение получили цифровые MEMS микрофоны. Их ключевым свойством является тот факт, что они по сути своей - набор полупроводников, в которых непосредственно измеритель расположен на кристалле и на его цифровой выход минимально влияют те компоненты, которые его окружают, потому что весь процесс измерения реализован на кристалле. Это приводит к увеличению величины SNR. SNR MEMS микрофонов стремительно приближается к SNR аналогового микрофона, а основные тренды указывают, что в ближайшие 2 года технология MEMS полностью заменит аналоговую схемотехнику в акустике.
Однако в мире практически нет известных случаев синтеза цифровых массивов микрофонов. В существующих устройствах, таких как Amazon Echo, используются MEMS микрофоны, но они аналоговые.
Заявленное решение обеспечивает наиболее простой, дешевый и совершенный с точки зрения параметров захвата сигнала метод, суть которого заключается в применении микрофонов с выходом PDM, синхронно обрабатываемым специальным интерфейсом контроллера архитектуры Cortex M4 или Cortex M7, имя которому DFSDM.
PDM (Pulse Density Modulation) представляет из себя метод передачи относительного изменения сигнала в расчете на семпл. Математически это последовательность:
где x[n] содержит в каждом из своих членов относительное изменение сигнала в виде 1 бита, имеющего знак (A - амплитуда изменения сигнала, x[n] - биполярный поток битов (либо -A или + A), a[n] - значение бита в битовом потоке данных с порядковым номером n, n - обозначение порядкового номера измерений). Знак задается переходом. Отрицательное приращение - это переход от 1 к 0. Положительное - от 0 к 1. Повторение единиц увеличивает общую амплитуду сигнала, а повторение нулей уменьшает.
Пример 1. На фиг. 1 представлен период синусоидального сигнала в расчете на 100 семплов:
0101011011110111111111111111111111011111101101101010100100100000010000000000000000000001000010010101
Чтобы преобразовать данный сигнал в цифровую форму используется дельта-сигма сумматор, который является частью интерфейса DFSDM. Далее примем, что   - это PDM последовательность, описанная выше. А  - пусть будет сигналом в обычном частотном виде, тогда
Откуда получим:
где    - это ошибка дискретизации дельта-сигма модулятора, z - это комплексная частота в Z преобразовании (так оперируют дискретными сигналами), Y(z) - представление выходного сигнала в Z преобразовании. Z-преобразованием называют свёртывание исходного сигнала, заданного последовательностью вещественных чисел во временной области, в аналитическую функцию комплексной частоты.
представляет из себя высокочастотный фильтр, который уменьшает значение выхода в области низких частот и увеличивает на высоких. Таким образом, можно определить особенность данного метода, заключающегося в увеличении уровней частотной характеристики в области высоких частот, что формирует высокочастотный фильтр.
На фиг. 2 изображена блок-схема устройства сбора данных с по меньшей мере двух MEMS микрофонов с интерфейсом PDM, содержащее
1 - MEMS микрофоны;
2 - блок DFSDM с информационными входами DATA0, DATA1, DATA2, DATA3;
3 - источник тактирования;
4 - блок хранения данных.
Каждый информационный выход MEMS микрофона может посылать сигналы напрямую на информационный вход (DATA) блока DFSDM, реализованного на базе микроконтроллера, так как их уровни напряжений совместимы. Совместимым в данном случае является и тип логики. Измеряемым фактором является направление перехода. Влияние на точность получаемого сигнала оказывает качество источника тактирования. В акустике для оцифровки голоса, как правило, применяется мегагерцовый диапазон частот в отношении PDM реализации (2-3 МГц при 16 битном сигнале) и от 3 до 5 МГц в режиме Turbo со снижением уровня SNR. Данную частоту очень легко получить с помощью встроенных в архитектуру ARM шин и делителей частоты, при этом с очень хорошим качеством. Для этого используется источник тактирования 3: таймеры или интерфейс I2S.
За синхронно организованный сбор данных сразу с нескольких каналов отвечает новейший интерфейс захвата DFSDM. Данный интерфейс был добавлен в архитектуру ARM совсем недавно - в 2012 году. Начиная с архитектуры Cortex M4 кристалл получил поддержку IP блока данного типа. То есть была проведена интеграция интерфейса захвата DFSDM непосредственно на единую подложку и осуществлена интеграция работы с ним как на уровне библиотек, так и собственно на периферии микроконтроллера. Примерами таких микроконтроллеров являются, например, изделия STM32F4, STM32L4, STM32F7 компании ST.
По своей сути данный блок DFSDM 2 не только производит сбор данных с микрофонов с выходом PDM на каждом информационном входе (например, DATA0, DATA1, DATA2, DATA3), но и применяет фильтры, что приводит к преобразованию входного сигнала входной разрядностью 16 бит (определяет внутренний преобразователь) в цифровое представление разрядностью 24 бит. Для этого используются Sinс-фильтры 3, 4 или 5 порядка.
Внутри IP блока может содержаться блок цифровых фильтров, которые могут изменить АЧХ исходного сигнала. Таким образом, данный блок позволяет реализовать простейший эквалайзер, что может быть полезно в условиях зашумленных сред с известными типовыми причинами (низкочастотный гул - производственный шум, шум в салоне автомобиля и пр.) При работе с блоком имеется возможность использовать DMA на каждом канале, что позволяет по событию от фильтра копировать результат сразу в адрес памяти, на который ссылается дескриптор, что позволяет их незамедлительно предоставить к доставке по USB шине после очередного запроса семпла. Таким образом стоит отметить высокую робастность и надежность данного метода, а также можно отметить то, что на выходе фильтра мы можем иметь сигнал разрядностью 32 бита, что соответствует high-end изделиями из области акустики.
При этом линия тактирования (CLK) всех микрофонов объединена в единую точку и сигнал тактирования от источника тактирования 3 является общим для всех. На каждой линии DATA может находиться по 2 идентичных PDM микрофона, на переднем фронте сигнала CLK происходит выдача данных с одного микрофона, на заднем фронте сигнала CLK – с другого. Таким образом, на синхронный сбор данных с 8 микрофонов необходимо всего 4 канала интерфейса DFSDM. Важное участие также может принимать в сборе данных интерфейс DFSDM WDG (Watchdog). Свойства этого интерфейса внутри контроллера позволяют программно работать с каждым из микрофонов по отдельности.
Стоит отметить, что помимо сигналов CLK (тактовых) и DATA (сигналы шины данных), для PDM MEMS микрофона используется также статический сигнал выбора одного из двух микрофонов. Этот сигнал является опорным для внутренней логики MEMS микрофона и задает левый и правый каналы в системе из двух микрофонов, предотвращая одновременную выдачу данных на шину при смене фронта сигнала CLK.
Далее работа заявленного устройства сбора данных будет описана со ссылкой на фиг. 3, на которой изображена блок-схема тракта синхронизации и обработки.
Перед работой заявленного устройства осуществляется инициализация блока DFSDM и настройка сигнала синхронизации от источника тактирования 3 согласно выбранной частоте дискретизации. Например, выбранная частота дискретизации может быть умножена на 2, где 2 - число каналов в каждой паре микрофонов, в которых линия DATA общая для обоих.
Далее осуществляется настройка источника тактирования 3 на формирование тактовой частоты, например, величиной от 2 до 5 МГц согласно планируемому показателю точности сигнала и планируемой величины SNR и подача этого сигнала на линию связи (CLK) с MEMS микрофонами.
Данные по меньшей мере с двух MEMS микрофонов поступают в виде PDM битового потока в блок DFSDM 2 и преобразуются в цифровой вид с помощью дельта-сигма модулятора 5. Далее полученные данные через sinс-фильтр 6, выбора порядка фильтра которого осуществлен согласно желаемому значению разрядности сигнала, и регистры 7 аналогового сторожевого таймера блока DFSDM 2 поступают на регистры 8 трактов обработки данных, который обеспечивает хранения результатов обработки данных по каждому информационному входу (DATA) блока DFSDM 2.
При поступлении сигнала синхронизации от источника тактирования 3 на блок DFSDM 2 происходит вызов прерывания, и результаты обработки данных по каждому информационному входу (DATA) копируются методом DMA из регистров 8 трактов обработки данных в область блока хранения данных 4, например, реализованный на базе оперативной памяти. Также допускается вызов прерывания с принудительным считыванием результатов из регистров 8 блока DFSDM 2 без операций DMA. В альтернативном варианте реализации заявленного решения в область блока хранения данных 4 методом DMA результаты обработки копируются из регистров 7 аналогового сторожевого таймера.
Таким образом, обеспечивается синхронный сбор и обработка данных с по меньшей мере двух MEMS микрофонов с интерфейсом PDM с повышенной величиной соотношения сигнал/шум (SNR).
Все составные элементы заявленного устройства выполнены в виде единой конструкции, например, посредством их размещения на единой печатной плате или другим образом.
Опытным путем было установлено, что данный подход позволяет сделать массив в 2-3 раза проще и дешевле аналогового.
В результате проведенного исследования удалось создать полностью цифровой массив микрофонов со следующими характеристиками:
захват звука с массива из 2-8 микрофонов с чувствительностью -26 dbV каждый (минус двадцать шесть децибел-вольт);
захват звука на частотах дискретизации до 48 кГц;
дискретизация звукового сигнала с разрешающей способностью от 12 до 32 бит;
подключение к компьютеру по USB шине;
поддержка USB Audio Class;
поддержка захвата звука через подсистемы ОС Linux - Alsa и PulseAudio.
В отношении решаемой задачи удалось достичь парадигмы взаимодействия с прибором с помощью голоса без необходимости в тактильном взаимодействии с прибором в условиях жилого пространства на удалении до 5 м c применением программных технологий формирования диаграммы направленности на заранее локализованный источник звука.