无滤波器的微机电麦克风的脉冲密度调制编码系统及方法

技术领域

本发明涉及一种编码系统及其方法，特别是无滤波器的微机电麦克风的脉冲密度调制(Pulse Density Modulation,PDM)编码系统及方法。

背景技术

近年来，随着微机电麦克风技术的普及与蓬勃发展，各种微机电麦克风便如雨后春笋般涌现，其中，又以数字式微机电麦克风最为常见。

一般而言，传统无滤波器的数字式微机电麦克风会输出PDM信号，其通过将PDM信号输出至正输出端，以及将PDM信号反向后输出至负输出端，如此一来，当耳机的正极(Positive)与正输出端连接、负极(Negative)与负输出端连接后，便能够通过耳机聆听数字式微机电麦克风所收到的声音。然而，PDM信号的高频成分太多，所以具有容易导致声音失真的问题。

有鉴于此，便有厂商提出通过低通滤波器(Low-pass filter,LPF)来过滤PDM信号中的高频信号的技术手段，也就是说，仅容许低频信号通过。然而，低通滤波器需要使用外部元件，例如：电容、电阻等等来实现，而且非常消耗电路面积，所以会造成数字式微机电麦克风具有元件成本高昂及微小化不易的问题。

综上所述，可知现有技术在长期以来一直存在微机电麦克风的元件成本高昂及微小化不易的问题，因此实有必要提出改进的技术手段，来解决此问题。

发明内容

本发明公开一种无滤波器的微机电麦克风的脉冲密度调制编码系统及方法。

首先，本发明公开一种无滤波器的微机电麦克风的脉冲密度调制编码系统，应用在无滤波器的微机电麦克风，此系统包含：脉冲密度调制模块、延迟模块及输出模块。其中，脉冲密度调制模块用以产生脉冲密度调制信号；延迟模块电性连接脉冲密度调制模块，用以延迟脉冲密度调制信号以生成延迟信号，并且将脉冲密度调制信号与延迟信号相加以生成脉冲信号；以及输出模块电性连接延迟模块，此输出模块包含：正输出端及负输出端。其中，正输出端用以在脉冲信号在第一电平时，输出高电位、在第二电平时，根据高低电位比例选择输出高电位或低电位，以及在第三电平时，输出低电位；以及负输出端用以在脉冲信号在第一电平时，输出低电位、在第二电平时，输出与正输出端相同的高电位或低电位，以及在第三电平时，输出高电位。

另外，本发明还公开一种无滤波器的微机电麦克风的脉冲密度调制编码方法，应用在无滤波器的微机电麦克风，其步骤包括：无滤波器的微机电麦克风产生脉冲密度调制信号；无滤波器的微机电麦克风延迟脉冲密度调制信号以生成延迟信号，并且将脉冲密度调制信号与延迟信号相加以生成脉冲信号；以及当脉冲信号在第一电平时，无滤波器的微机电麦克风在正输出端输出高电位且在负输出端输出低电位，当脉冲信号在第二电平时，无滤波器的微机电麦克风根据高低电位比例选择在正输出端及负输出端同时输出高电位或低电位，以及当脉冲信号在第三电平时，无滤波器的微机电麦克风在正输出端输出低电位且在负输出端输出高电位。

本发明所公开的系统与方法如上，与现有技术的差异在于本发明是通过对无滤波器的微机电麦克风产生的脉冲密度调制信号进行延迟以生成延迟信号，再将原本产生的脉冲密度调制信号及生成的延迟信号相加以生成具有三个电平(Level)的脉冲信号，并且持续根据脉冲信号的不同电平，将脉冲信号转换为高电位或低电位以分别输出至正输出端及负输出端，借以在无滤波器的前提下过滤高频信号，进而降低元件成本及电路面积。具体而言，本发明与现有技术有两项差异：(1)本发明通过调制技术，让输出的差分信号尽可能地停留在低电位“0”，减少因正电位“+1”与负电位“-1”频繁转换所造成的高频噪声，借此降低音频的失真；(2)本发明中的调制技术，单看输出模块中的任一端(正输出端或负输出端)，都能各自被传统的PDM接收模块独立解调，不需额外的解调模块且信号不失真。

通过上述的技术手段，本发明可以达成降低元件成本及电路面积的技术效果。

附图说明

图1为本发明无滤波器的微机电麦克风的脉冲密度调制编码系统的系统方块图。

图2为本发明无滤波器的微机电麦克风的脉冲密度调制编码方法的方法流程图。

图3为应用本发明的信号变化的示意图。

图4为应用本发明的脉冲密度调制信号编码的示意图。

符号说明：

100:无滤波器的微机电麦克风；

110:脉冲密度调制模块；

120:延迟模块；

130:输出模块；

131:正输出端；

132:负输出端；

300:信号变化表；

410:脉冲密度调制信号；

420:延迟信号；

430:脉冲信号；

440,450,460:信号；

步骤210:无滤波器的微机电麦克风产生脉冲密度调制信号；

步骤220:该无滤波器的微机电麦克风延迟该脉冲密度调制信号以生成延迟信号，并且将该脉冲密度调制信号与该延迟信号相加以生成脉冲信号；

步骤230:当该脉冲信号在第一电平时，该无滤波器的微机电麦克风在正输出端输出高电位且在负输出端输出低电位，当该脉冲信号在第二电平时，该无滤波器的微机电麦克风根据高低电位比例选择在该正输出端及该负输出端同时输出高电位或低电位，以及当该脉冲信号在第三电平时，该无滤波器的微机电麦克风在该正输出端输出低电位且在该负输出端输出高电位。

具体实施方式

以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

请先参阅图1，图1为本发明无滤波器的微机电麦克风的脉冲密度调制编码系统的系统方块图，此系统包含：脉冲密度调制模块110、延迟模块120及输出模块130。其中，脉冲密度调制模块110用以接收无滤波器的微机电麦克风100输出的脉冲密度调制信号。在实际实施上，若不追求高音质，此脉冲密度调制信号可通过滤波器后输出至耳机即可聆听，但为了节省滤波器的成本与电路面积，于是需要进行如后所述的处理以实现对脉冲密度调制信号进行编码。

延迟模块120电性连接脉冲密度调制模块110，用以延迟脉冲密度调制模块110产生的脉冲密度调制信号以生成延迟信号，并且将脉冲密度调制信号与延迟信号相加以生成脉冲信号。在实际实施上，脉冲密度调制信号及延迟信号的振幅皆为1，所述脉冲密度调制信号延迟M个时脉用以生成延迟信号，其中，M为正整数。另外，脉冲信号可为脉冲密度调制信号及延迟信号相加再乘以0.5，并且在第一电平(例如：“1”或以“+1”示意)及第三电平(例如：“-1”)之间。要补充说明的是，所述电性连接的方式可以通过导线(例如：材质为铜、银、金、铝或其组合的导线)、连接线或其相似物来实现。除此之外，延迟模块120可通过运算单元来实现，所述运算单元可为微控制单元(Microcontroller,MCU)、中央处理单元(CentralProcessing Unit,CPU)、数字信号处理单元(Digital Signal Processor,DSP)或其相似物。

输出模块130电性连接延迟模块120，此输出模块包含：正输出端131及负输出端132。其中，正输出端131用以在脉冲信号在第一电平时，输出高电位、在第二电平时，根据高低电位比例选择输出高电位或低电位，以及在第三电平时，输出低电位。负输出端132用以在脉冲信号在第一电平时，输出低电位、在第二电平时，输出与正输出端131相同的高电位或低电位，以及在第三电平时，输出高电位。在实际实施上，高低电位比例为P：N，其中，P代表高电位的数量、N代表低电位的数量，P及N为正整数，以P及N皆为50为例，代表高低电位比例为“50:50”。假设第一电平、第二电平及第三电平分别为“1”、“0”及“-1”，当脉冲信号在第一电平“1”时，正输出端131会输出高电位(在数字逻辑中以“1”表示)且负输出端132会输出低电位(在数字逻辑中以“0”表示)；当脉冲信号在第三电平“-1”时，正输出端131会输出低电位(在数字逻辑中以“0”表示)且负输出端132会输出高电位(在数字逻辑中以“1”表示)。至于脉冲信号在第二电平“0”时，输出模块130会根据预设的高低电位比例选择在正输出端131及负输出端132同时输出高电位或低电位，假设高低电位比例为“50:50”，代表选择的高电位及低电位各占一半，则输出模块130可依序在高电位及低电位相互切换以作为正输出端131及负输出端132的输出信号，稍后将配合图式做进一步说明。

特别要说明的是，在实际实施上，本发明所述的模块可部分地或完全地基于硬件来实现，例如，系统中的一个或多个部分可以通过集成电路晶片、系统单晶片(System onChip,SoC)、复杂可编程逻辑装置(Complex Programmable Logic Device,CPLD)、现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)等来实现，或同时搭配固件及/或软件等电脑程序来实现。所述电脑程序可以包括电脑可读储存媒体，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面功能的电脑可读程序指令，执行本发明操作的电脑可读程序指令可以是组合语言指令、指令集架构指令、机器指令、机器相关指令、微指令、固件指令、或者以一种或多种程序语言的任意组合编写的原始码或目的码(Object Code)，所述程序语言包括物件导向的程序语言，如：Common Lisp、Python、C++、Objective-C、Smalltalk、Delphi、Java、Swift、C#、Perl、Ruby与PHP等等，以及常规的程序式(Procedural)程序语言，如：C语言或与其类似的程序语言。

请参阅图2，图2为本发明无滤波器的微机电麦克风的脉冲密度调制编码方法的方法流程图，其步骤包括：接收无滤波器的微机电麦克风100输出的脉冲密度调制信号(步骤210)；延迟脉冲密度调制信号以生成延迟信号，并且将脉冲密度调制信号与延迟信号相加以生成脉冲信号(步骤220)；当脉冲信号在第一电平时，在正输出端131输出高电位且在负输出端132输出低电位，当脉冲信号在第二电平时，当脉冲信号在第二电平时，根据高低电位比例选择在正输出端131及负输出端132同时输出高电位或低电位，以及当脉冲信号在第三电平时，在正输出端131输出低电位且在负输出端132输出高电位(步骤230)。通过上述步骤，即可通过对无滤波器的微机电麦克风产生的脉冲密度调制信号进行延迟以生成延迟信号，再将原本产生的脉冲密度调制信号及生成的延迟信号相加以生成具有三个电平的脉冲信号，并且持续根据脉冲信号的不同电平，将脉冲信号转换为高电位或低电位以分别输出至正输出端及负输出端，借以在无滤波器的前提下过滤高频信号，进而降低元件成本及电路面积。

以下配合图3及图4以实施例的方式进行如下说明，如图3所示意，图3为应用本发明的信号变化的示意图。传统的无滤波器的微机电麦克风100会传送脉冲密度调制信号，其信号经过滤波器(如：低通滤波器、电容)输出至耳机即可聆听，然而，增加滤波器会提高成本且占用面积。因此，当脉冲密度调制模块110产生脉冲密度调制信号后，延迟模块120会将原本产生的脉冲密度调制信号与经过延迟M个时脉(如：延迟1个时脉)的脉冲密度调制信号(即：延迟信号)相加以产生脉冲信号。接着，由于相加产生的脉冲信号有三个电平(即：“+1”、“-1”及“0”)，所以输出模块130会将具有三个电平的脉冲信号转换为只有二个电平的信号以分别输出至正输出端131及负输出端132。从图3所示意的信号变化表300可以清楚看到，脉冲密度调制信号(即：原始信号)的“+1”及“-1”的比例各为50％，而经过延迟模块120处理后(即：相加后)，三个电平的比例分别为12.43％、12.41％及75.15％，然后经过输出模块130处理后、正输出端131及负输出端132的“+1”及“-1”的比例同样各为50％。由于相加后的信号维持在“0”的比例约为75％，所以能够达到滤波器过滤高频的效果。

如图4所示意，图4为应用本发明的脉冲密度调制信号编码的示意图。其中，符号“A”代表脉冲密度调制信号410、符号“D(A)”代表经过延迟一个时脉(Clock)的脉冲密度调制信号(即：延迟信号420)、符号“0.5*(A+D(A))”代表基于前述两个信号所产生的脉冲信号430、符号“Diff_P”代表正输出端131所输出的信号440、符号“Diff_N”代表负输出端132的所输出的信号450，以及符号“Diff_P-Diff_N”为正输出端131与负输出端132相减后的信号460。其中，脉冲信号430、正输出端131所输出的信号440及负输出端132的所输出的信号450可视为对脉冲密度调制信号410编码后的结果。从图4中可以清楚看到，脉冲密度调制信号410与延迟信号420相加后乘以0.5后可产生具有三个电平(即：第一电平“1”、第二电平“0”及第三电平“-1”)的脉冲信号430，由于一般的微机电麦克风只使用一个脚位(Pin)输出信号，而在数字逻辑中，一个脚位代表一个位(Bit)且仅能输出“0”与“1”两种状态，所以输出模块130会将三个电平的脉冲信号转换成“0”与“1”表示，例如：当脉冲信号430在第一电平“1”时，使正输出端131输出高电位(在数字逻辑中以“1”表示)，以及使负输出端132输出低电位(在数字逻辑中以“0”表示)；当脉冲信号430在第三电平“-1”时，使正输出端131输出低电位(在数字逻辑中以“0”表示)，以及使负输出端132输出高电位(在数字逻辑中以“1”表示)。比较特别的是，当脉冲信号在第二电平“0”时，输出模块130会根据预设的高低电位比例选择在正输出端131及负输出端132同时输出高电位或低电位，在图4中可以清楚看到，当脉冲信号为“0”时，输出模块130以“50:50”的高低电位比例依序轮流选择高电位“1”及低电位“0”作为正输出端131及负输出端132的输出信号。如此一来，与正输出端131及负输出端132电性连接的主机端(Hosting)通过将接收到的正输出端131与负输出端132的信号相减(“Diff_P-Diff_N”)后，即可获得脉冲信号430，从图中可清楚看到相减后的信号460与脉冲信号430相同，而且由于信号中大部分都是“0”，在“1”及“-1”的部分远少于原本的脉冲密度调制信号410，所以本发明在不损失信息的前提下，可以同时达到具有滤波器过滤高频的效果。换句话说，输出的差分信号(即：信号460)会尽可能地停留在低电位“0”，减少因正电位“+1”与负电位“-1”频繁转换所造成的高频噪声，借此降低音频的失真。再者，单看正输出端131或负输出端132，都能各自被传统的PDM接收模块独立解调，不需额外的解调模块且信号不失真。

综上所述，可知本发明与现有技术之间的差异在于通过对无滤波器的微机电麦克风产生的脉冲密度调制信号进行延迟以生成延迟信号，再将原本产生的脉冲密度调制信号及生成的延迟信号相加以生成具有三个电平的脉冲信号，并且持续根据脉冲信号的不同电平，将脉冲信号转换为高电位或低电位以分别输出至正输出端及负输出端，借以在无滤波器的前提下过滤高频信号，通过此一技术手段可以解决现有技术所存在的问题，进而达成降低元件成本及电路面积的技术效果。

虽然本发明以前述的实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的申请专利范围所界定者为准。