美國富迪科技(ForteMedia)公司推出的FM2010芯片是基于迷你陣列麥克風(SAM)專利技術的，采用空間濾波技術、遠/近距離定向拾取聲音信號、抑制聲學噪聲、消除聲學回聲的低功耗低成本的單芯片。本文將介紹迷你陣列麥克風技術在手持通信產品中的設計要點、FM2010芯片主要功能，及其在GSM手機中的典型應用。圖1是手持模式的抗噪聲示意圖;圖2是免提模式的抗噪聲示意圖。

圖1 SAM手持模式的抗噪聲示意圖

圖2 SAM免提模式的抗噪聲示意圖

迷你陣列麥克風技術設計要點

SAM技術可以采用Uni-MIC(主麥克風)和Omni-MIC(參考麥克風)兩個麥克風組成迷你陣列麥克風，采用背對背擺放或者邊對邊擺放，如圖3所示。利用兩種麥克風物理特性的差異，通過FM2010芯片處理以后，形成錐形的拾音束，形成空間的濾波器，用以抑制非穩態噪聲。麥克風的特性、結構設計和FM2010的參數調整決定了錐形拾音束的方向、角度和抑制非穩態噪聲的效果。

圖3 麥克風的擺放

1 麥克風的選擇

建議使用4mm的Uni、Omni麥克風。Uni-MIC的靈敏度為-40dB ±3dB;頻譜在300Hz跌落小于8.5dB，3.4kHz提升小于3.5dB;指向性為心形，方向性0°和90°靈敏度差別大于4dB，0°和 180°靈敏度差別大于10dB。Omni-MIC的靈敏度為-40dB±1.5dB;頻譜在300Hz～3.4kHz平坦。推薦使用山東濰坊怡力達(IEA)的Uni麥克風B4015UL403和Omni麥克風B4015AL-398。

2 結構設計

結構設計的關鍵問題在于Uni麥克風的特性保持、錐形拾音束的方向，如果有免提通話功能，還需要更多考慮喇叭、麥克風減振和麥克風氣密性問題。錐形的拾音束的方向決定了抑制非穩態噪聲的方向，所以應該保證有用信號在拾音束內，否則會被當作噪聲而被抑制。因此在產品外形設計時，應該充分考慮 Uni麥克風的方向。結構設計應該保證Uni麥克風在裝入麥克風套筒和整個機殼以后，0°和180°靈敏度差別大于6dB，靈敏度和頻率特性基本不變。麥克風減振可以減小非線性回聲，氣密性可以減小線性回聲，提高系統的信號回聲比。

3 經過FM2010處理后的信號

迷你陣列麥克風拾取的信號和經過FM2010處理以后輸出的信號比較如圖4所示。聲源距離迷你陣列麥克風0.3m，聲強為83dB (SPL)。測試信號分別為Uni麥克風0°和180°、Omni麥克風0°和180°、線路輸出(Lout)迷你陣列麥克風0°和180°拾取的信號經過FM2010處理以后輸出的信號。從圖4中可以看出，同樣大小的信號，在拾音束內(0°)和拾音束外(180°)最終輸出的信號可以相差20dB。也就是說，只要非穩態噪聲在拾音束外，相對于有用信號，將被抑制20dB。錐形的拾音束有效作用范圍為2m。SAM錐形的拾音束的角度取決于Uni麥克風的指向特性和FM2010的參數調整，圖5為實際測試SAM的錐形的拾音束方向圖。

圖4 SAM的錐形拾音束抑制噪聲效果

圖5 SAM的錐形拾音束方向圖聲效果

FM2010在GSM手機中的應用

FM2010采用低功耗小尺寸設計，功耗不到25mW，片內集成DSP、CODEC、ROM和RAM，適合移動手持設備應用。

以TI的手機平臺為例，如圖6所示，FM2010和模擬基帶處理器主要接口有4個：RECEIVER回聲消除的參考信號(HS REF)、免提喇叭回聲消除的參考信號(HF REF)、陣列麥克風電源及控制(MIC PWR)、陣列麥克風信號經FM2010處理后的輸出信號(LOUT)。FM2010和數字基帶處理器主要接口有6個：時鐘信號(13MHz)、SHI接口選擇控制(SHI_S)、SHI接口(SHI)、直通模式選擇控制(IRQ_ANA)、復位控制(RESET)和省電控制(PWD)。

圖6 FM2010在TI手機平臺的應用框圖

圖7 FM2010典型應用原理圖

FM2010在GSM手機中的工作模式可以根據需要來設置，主要有測試模式、手持消噪模式、免提會議模式、免提個人專用模式。測試模式主要用于手機音頻測試(Acoustics)，此時設置FM2010進入到直通模式(IRQ_ANA)，FM2010只將Uni麥克風信號放大，不做其他任何處理，從線路輸出引腳輸出;手持消噪模式FM2010工作在Uni和Omni麥克風兩個麥克風SAM模式，用來消除通話環境下的穩態和非穩態噪聲;免提會議模式用在小型多人會議模式，此時FM2010工作在麥克風反轉模式，FM2010放大處理Omni麥克風的信號，消除通話環境下的穩態回聲，從線路輸出引腳輸出，麥克風可以拾取全方向的信號;免提個人用模式可以針對一個人使用的會議場合或視頻通話。

OMAP733/750對FM2010的控制流程：通過SHI接口、PWD、RESET、ANA_IRQ控制引腳實現對FM2010的操作。整機上電以后，首先將PWD置高，ANA_IRQ置低，復位以后，送參數給FM2010，主要是時鐘源、時鐘頻率、DSP工作速率，然后將芯片進入到省電模式。如圖8所示，通話模式是根據是否有電話打入、打出或是錄音操作，喚醒FM2010，復位后根據手持/免提模式，送FM2010相應模式參數。對于手持消噪模式，需要送麥克風數量、麥克風增益、麥克風音量、消回聲參數和VAD參數。對于免提會議模式、需要送麥克風數量、麥克風增益、麥克風音量、麥克風反轉、消回聲參數(主要包含對方小聲講話、正常講話、大聲講話時)。免提個人專用模式調試方法基本同手持消噪模式，回聲消除參數需要更多調整。通話結束后，關閉FM2010的CODEC，將 FM2010設置到省電模式。如圖9所示，GSM手機音頻測試模式主要用于手機測試目的。進入測試模式以后，FM2010工作在直通模式，此時內部DSP 對麥克風輸入信號不進行任何處理，Uni麥克風輸入信號經過可編程增益放大器放大后，直接從LOUT放大器輸出，可以通過SHI接口在線麥克風放大器和 LOUT放大器增益參數。

圖8 通話模式控制流程

圖9 測試模式控制流程

FM2010 SHI接口控制時序：SHI接口工作在從模式，由外部提供時鐘信號，最大時鐘頻率400kHz，在對FM2010進行模式和參數設置時，首先是發一個傳送開始狀態，接著送1字節SHI設備地址 C0，2字節同步字 FCF3，然后是控制命令字 3B，2字節參數地址，2字節參數數據, 重復然后是控制命令字 3B，2字節參數地址，2字節參數數據，最后啟動命令控制命令字 3B，2字節參數地址1E 3A，2字節參數數據00 00結束，讓FM2010正常運行。