【導讀】本文主要介紹MEMS麥克風陣列所需的硬件架構(gòu)，利用MEMS麥克風陣列定位并識別音頻和語音信源。自從微機電系統(tǒng)的麥克風陣列的出世，麥克風音頻定位就引起各界關(guān)注。
目前業(yè)界正在使用MEMS麥克風陣列子系統(tǒng)開發(fā)嵌入式音頻定位、自動語音識別和自動說話人識別解決方案，聲音識別定位是我們識別確認他人身份的基本功能，當我們聽到有人講話時，會將頭轉(zhuǎn)向說話人，查看說話人。
音源定位是自動語音識別和自動說話人識別系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，對于提高語音識別系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。麥克風陣列可捕捉從不同方向傳來的聲音，通過算法運算使麥克風指向某一個特定方向，放大從該方向捕捉到的音頻信號，同時衰減從其它方向捕捉的音頻信號，整個動作就像一個智能麥克風。
圖1：綜合利用麥克風音源互相關(guān)性(CC)、相變(PHAT)和最大相似性處理(ML)技術(shù)的音源定位
系統(tǒng)框架
整個系統(tǒng)由以下幾個子系統(tǒng)組成：音源方向測定、數(shù)據(jù)融合、自動語音識別和自動說話人確認。其中，音頻方向測定子系統(tǒng)基于麥克風陣列，運行三個不同的音頻方向估算算法；數(shù)據(jù)融合子系統(tǒng)負責推斷方向，自動語音識別子系統(tǒng)利用傳入的音頻信號增強主音源信號強度，衰減主音源周圍的其它音頻信號。最后，自動說話人確認子系統(tǒng)識別某些關(guān)鍵詞匯，再利用相關(guān)特征與說話人匹配。
圖2.系統(tǒng)框架（注：Secondary speaker：副揚聲器；primary speaker：主揚聲器；mic array：麥克風陣列；data fusion：數(shù)據(jù)融合）
如果語音識別任務(wù)沒有成功，則反饋給數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，估算新方向傳入的語音，然后驅(qū)動麥克風陣列指向該方向。
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語音識別和說話人識別
語音特征提取(27 LPC-倒普系數(shù))需要確定語音的端點，將語音分成數(shù)個短禎(每禎20 ms)，通過一個DTW模式對準算法與一組參考語音(模板)匹配。然后，應用歐氏距離測量法進行相似性評估。
圖3. 特征提取、模式匹配和評分是說話人語音識別確認任務(wù)的主要環(huán)節(jié)
說話人身份評分采用的是動態(tài)時間規(guī)整近鄰(DTW-KNN)算法的距離測量方法，即動態(tài)時間規(guī)整測量算法與近鄰決策算法的合并算法。這個算法需要使用均方根、過零率、自動相關(guān)和倒普線性預測系數(shù)。使用歐氏距離算法計算成本函數(shù)，使用KNN 算法計算最小距離匹配度 k。
MEMS麥克風陣列
我們采用STM32F4微控制器和MEMS麥克風開發(fā)一個硬件音頻信號同步采集處理子系統(tǒng)，其信號捕捉能力相當于8個采樣率高達48 KHz的麥克風 。
圖4.采用STM32F4微控制器和MEMS麥克風的硬件音頻信號同步采集處理子系統(tǒng)
MEMS技術(shù)
MEMS技術(shù)的主要特性是在能夠同一芯片表面集成微電子和微機械單元，在同一封裝內(nèi)整合不同的功能。這樣，過去分別由傳感器、執(zhí)行器(例如，射流管理或機械交互)和邏輯、控制單元完成的不同功能，今天可以整合在同一個封裝內(nèi)。從生化分析，到慣性系統(tǒng)，從機械傳感器，到音頻和聲波傳感器， MEMS產(chǎn)品覆蓋很多應用領(lǐng)域。
MEMS麥克風和音頻編碼
MEMS麥克風尺寸雖然比其它技術(shù)麥克風小，但是，從物理和機械角度看，卻具備標準駐極體麥克風的全部功能，其核心部件是一個振膜，振膜和固定框架共同組成一個可變電容器。當聲波引起振膜變形時，電容會發(fā)生變化，從而導致電壓變化。
被捕捉到的信號的后期處理，即功率放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換過程，都是在同一芯片上完成，因此，麥克風輸出是高頻PDM信號。在脈沖密度調(diào)制過程，邏輯1對應一個正 (+A)脈沖，而邏輯0對應一個負(-A)脈沖。因此，假設(shè)輸入一個周期的正弦音頻，當輸入電壓在最大正振幅時，輸出為一個由“1”組成的脈沖序列；當輸入電壓在最大負振幅時，輸出則是一個由“0”組成的序列。當穿過0振幅時，聲波在1和0序列之間快速變化。如果方法正確，PDM可通過數(shù)字方法給高品質(zhì)音頻編碼，而且實現(xiàn)方法簡易，成本低廉。因此，PDM比特流是MEMS麥克風常用的數(shù)據(jù)輸出格式。
另一方面，PCM是一個非常著名的音頻編碼標準，以相同的間隔對信號振幅定期采樣，在數(shù)字步進范圍內(nèi)，每個采樣被量化至最接近值。決定比特流是否忠實原模擬信號的是PCM比特流的兩個基本屬性：采樣率，即每秒采樣次數(shù)；位寬，即每個采樣包含的二進制數(shù)個數(shù)；通過降低采樣率(降低十分之一)和提高字長，可以將PDM編碼信號轉(zhuǎn)成PCM信號，PDM數(shù)據(jù)速率與降低十分之一的PCM采樣率的比值被稱為降采樣率。因此，對于N:1降采樣率，只要每N個間隔采樣一次(不考慮剩余的N-1)，即可完成降低十分之一的采樣過程。
麥克風陣列
從硬件角度看，這款產(chǎn)品基于STM32F407VGT6高性能微控制器，能夠通過8個MEMS麥克風采集信號。STM32F4微控制器基于工作頻率最高168 MHz的高性能ARM Cortex-M4 32 RISC處理器內(nèi)核，集成高速嵌入式存儲器(閃存容量最高1 MB， SRAM容量最高192KB)以及標準和先進的通信接口，例如，I2S全雙工接口、SPI、 USB FS/HS和以太網(wǎng)。
麥克風陣列通過RJ45以太風接口或USB OTG FS接口連接其它器件，與其它器件交互是通過可控制基本板設(shè)置的DIP開關(guān)實現(xiàn)。
如下圖所示，每個MEMS麥克風都是由同一個時鐘源觸發(fā)，時鐘源由專用振蕩器驅(qū)動，對每個GPIO端口的一個引腳輸出1位PDM 高頻信號。輸出PDM數(shù)據(jù)頻率與輸入時鐘同步，因此，DMA控制器以同一頻率即音頻捕捉頻率對GPIO端口進行讀操作，然后將1 ms音頻數(shù)據(jù)(每次)保存在存儲器緩沖電路。這時，該緩沖器包含麥克風交叉信號，然后軟件利用優(yōu)化的快速解碼函數(shù)對數(shù)據(jù)進行解復用處理。最后，PDM 數(shù)據(jù)通過數(shù)字信號處理環(huán)節(jié)，再進行PDM轉(zhuǎn)PCM處理。
圖5.每個MEMS麥克風都是由同一個時鐘源觸發(fā)，時鐘源由專用振蕩器驅(qū)動，對每個GPIO端口的一個引腳輸出1位PDM高頻信號
麥克風傳來的PDM信號經(jīng)過過濾和十分之一降采樣率處理，以取得所需頻率和分辨率的信號。麥克風輸出的PDM數(shù)據(jù)頻率(麥克風的輸入時鐘)必須是系統(tǒng)最終音頻輸出的倍數(shù)，濾波器管道輸出是一個16位值，我們將 [-32768, 32767]視為一個單位增益(0 dB)的輸出范圍。
原先濾波管道產(chǎn)生的數(shù)字音頻信號在信號調(diào)理前被進一步處理。管道第一級是一個高通濾波器，主要用于除掉信號DC失調(diào)。為保護信號質(zhì)量，該濾波級是使用一個截止頻率不在可聽頻率范圍內(nèi)的 IIR濾波器，管道第二級是一個基于IIR濾波器的低通濾波器。兩個濾波器有啟用和禁用以及配置功能；可通過外部整數(shù)變量控制增益。
圖6.麥克風傳來的 PDM信號經(jīng)過過濾和十分之一降采樣率處理，以取得所需頻率和分辨率的信號
如上文所述，數(shù)據(jù)采集有兩個比特流解決方案，通過DP開關(guān)選擇用哪一個方案。當選用 USB且在主機USB插入麥克風陣列時，主機將STM32_MEMS_Microphones視為一個標準的USB音頻設(shè)備。因此，主機系統(tǒng)無需安裝驅(qū)動軟件。例如， STM32_MEMS_Microphones可直接連接第三方PC音頻采集軟件。當選用以太網(wǎng)時，STM32_MEMS_Microphones發(fā)送RTP數(shù)據(jù)包。在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的以太網(wǎng)設(shè)置頁對目的地IP、設(shè)備單播地址和采集參數(shù)進行配置。
結(jié)語
音源定位識別是語音識別技術(shù)中的一個重要的語音預處理環(huán)節(jié)，對提高音頻應用和聲控應用性能具有重要意義。音源定位主要用于自動語音識別、音頻模式識別、說話人發(fā)現(xiàn)及識別。MEMS技術(shù)的問世讓麥克風陣列能夠嵌入在上述應用設(shè)計中，執(zhí)行音頻信號預處理過程，為應用級提供最好的信息。
該嵌入式單個說話人及其語音定位識別方案基于一個集成ARM處理器和一組MEMS麥克風的原型板。初步測試結(jié)果證明了這一集成方案的可行性，且系統(tǒng)級模塊可以做語音、音頻識別目標板，滿足人機、人與周圍環(huán)境的自然用戶界面的功能要求。
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