自主模拟信号系统助力实现低功耗音频和语音信号链

自主模拟信号系统助力实现低功耗音频和语音信号链

摘要

模拟MEMS麦克风因其低成本和低功耗特性被广泛应用于音频/语音领域，但传统模拟信号输出需要外部信号调理、声音活动检测和模数转换电路，导致MCU需频繁唤醒以执行功能，增加系统功耗。自主模拟信号系统（Autonomous Analog）通过集成传感、调制和响应功能，实现低功耗、可重新配置的混合信号系统，独立于CPU运行。

声音活动检测

自主模拟信号系统通过可编程运算放大器（CTB）放大麦克风信号，结合可编程阈值比较器（PTComp）和可编程参考块（PRB）实现声音活动检测。检测方法包括：

• 振幅分析：PRB阈值设置略高于或低于麦克风偏置电压，PTComp检测信号是否跨越阈值，数字后处理器统计高电平周期次数，若高于阈值则触发下一阶段。
• 频带分析：PRB阈值设置接近麦克风偏置电压，PTComp检测信号周期性跨越阈值，数字后处理器统计跨越次数，若低于阈值则可能为语音频带，触发下一阶段。 两种方法结合可识别语音特征，触发自主控制器启用SAR ADC进行采样，同时禁用PTComp以降低功耗。

数据采集

自主控制器在收到声音活动检测触发信号后，使能ADC并开始采样，典型采样率为16ksps。为节省功耗，ADC在深度睡眠模式下可实现200ksps的最大采样率，自主控制器通过循环启动控制避免设备频繁进入活动模式。在FIFO（最多512个样本）几乎装满前，设备无需唤醒，整个过程在深度睡眠模式下完成。

语音起始检测

CPU从ADC FIFO读取数据后，可执行语音起始检测（SOD）算法，适应噪声电平变化并监测“类语音”信号，识别语音活动开始。检测到语音活动后，CPU可执行唤醒词检测等后续算法。

可扩展性

自主模拟信号系统可集成多种信号链，如可穿戴健康应用的PPG-RX信号链。该系统使用两个可编程运算放大器（TIA和PGA）、两个12位DAC实现偏置和环境光抑制，并在深度睡眠模式下控制LED驱动器和光电二极管前端，实现音频和PPG信号链的低功耗集成。

核心观点与结论

• 自主模拟信号系统通过集成模拟前端功能并独立于CPU运行，显著降低音频和语音信号链的功耗。
• 系统在深度睡眠模式下完成声音活动检测、数据采集和循环启动控制，避免频繁唤醒。
• 可扩展性强，适用于多种信号链集成，如音频和PPG应用。
• 通过结合振幅和频带分析，实现高效的声音活动检测和语音起始识别。