基於Qualcomm APQ8009智能音箱的改良：鈺太科技Zilltek麥克風陣列板設計

高通Qualcomm日前推出Smart Speaker智能音箱方案，基於APQ8009系統級晶片（SoC），通過高度回應的語音啟動（Voice Activity Detection）與波束成形（Beamforming）技術，提供先進的多麥克風遠場語音功能（Far-Field Voice），並獨特地結合了處理能力、語音使用者介面選項等頂級音訊技術。


麥克風是這些技術裡不可或缺的關鍵硬體元件，在APQ8009參考設計中，圓形的麥克風陣列板提供了豐富功能：

•支援兩種數位麥克風元件（TDM mic / PDM mic）
•7顆分時多工TDM（Time-Division Multiplexed）數位麥克風，六角形排列（1顆置於正中央），預設給遠場語音功能使用
•4顆脈衝密度調變PDM（Pulse-Density Modulation）數位麥克風，方形排列
•2顆脈衝密度調變PDM數位麥克風，預設給BT語音功能使用
•5個按鍵（Power/Vol+/Vol-/Activate/Mute）
•16顆RGB LEDs環形排列，以及LED控制器
•1顆Mute指示LED

經過改良後的麥克風陣列板如下：


【我們的設計改良概念與項目】

1.  麥克風的選擇原則

數位麥克風的訊號輸出有兩種調變格式
(a) I2S mic / TDM mic使用的脈衝編碼調變PCM（Pulse-Code Modulation），是最早且最普遍的數位音訊格式。I2S介面在音頻領域非常通用常見，但一條data line最多只支援2 channels（即兩顆麥克風），若要在同一條data line擴充使用更多channels就必須使用分時多工TDM方式，然而業界各家廠商有不同技術協定來實現TDM，並未如I2S介面有較統一通用的標準協定。

(b) PDM mic使用的脈衝密度調變PDM（Pulse-Density Modulation），元件設計較簡單、有良好的抗干擾特性，在目前的數位麥克風應用上成為主流，成為很多人口中「DMIC（數位麥克風）」的代名詞。PDM介面中一條data line最多只支援2 channels，無法擴充。

由於開發、評估與音質調適上的需要，我們同時保留了這兩種數位訊號格式的麥克風。為了提供高品質的智能音箱語音功能，更重要的是麥克風的規格選擇，須注意以下幾點：

•作為遠場語音、波束成型功能使用的麥克風陣列，建議全部是同一型號料件，以確保相同的靈敏度Sensitivity與頻率響應Frequency Response（誤差+/- 3 dB）

•訊號雜訊比SNR越高越好（>64dB）
•麥克風元件的運作時脈Clock Frequency能在平台上被支援
•麥克風陣列的擺放盡量對稱
•麥克風陣列的機構條件盡量一致（比如機構開孔、封裝方式一致）

2.  料件成本與備料考量

相對於目前主流的PDM mic，由於TDM mic各家廠商技術不同，價差及備料考量成為很大的難題，尤其是原始參考設計所使用的7顆TDM mic ICS-52000，不僅價格較貴、庫存備料上也有較大困難。

台灣MEMS麥克風龍頭大廠 鈺太科技Zilltek有優異的麥克風模組技術，包含自行開發的ASIC與感測器，不管是製程、價格與備料方面都有優勢。TDM mic我們選擇ZTS6672，PDM mic則選擇ZTS6572S，在規格、效能各方面表現均能滿足原始設計需求。

3.  TDM mics鏈接方式修改

原始參考設計所使用的TDM mic ICS-52000採用Daisy-chain串聯觸發方式，其Word Select（WS）訊號線由系統端主控制器觸發後，排列#1的麥克風元件開始輸出音頻資料，待其輸出時段結束後，#1麥克風需透過Word Select Out（WSO）觸發#2麥克風進行輸出，以此類推。我們不難發現此鏈接方式的缺點，只要鏈中某顆麥克風元件發生問題，其後的所有麥克風元件皆無法被觸發輸出。


TDM mic選擇改用Zilltek ZTS6672後，所有麥克風元件皆為獨立運作，連接方式如下圖：


我們只需事先設定ZTS6672的針腳準位，依據下表設定CONFIG、SEL pin，就能預先安排每顆麥克風元件所使用的輸出時段，比如將ZTS6672 #1的CONFIG、SEL pin皆pull low，該麥克風會使用TDM time slot 1輸出。當系統端主控制器觸發WS訊號後，各麥克風便依照排定的時段而輸出，不會互相影響。


改良的麥克風陣列板不僅能在APQ8009平台使用，我們也計畫讓後續推出的智能音箱平台能直接支援。此外，透過杜邦線可直接從板上connector連接至其他平台或電路板，達到兼用並滿足各種開發、評估、測試等需求。