[发明专利]一种用于语音活动检测的时分交织带通滤波器

说明书

本发明涉及一种用于语音活动检测的时分交织带通滤波器，通过在滤波器电路中，一个预定的时间段里的不同的时间间隙实现不同中心频率的带通滤波器，达到多组带通滤波通道共用同一个晶体管电路、偏置电路和电流镜像电路的目的。由于多组带通滤波通道以时分交织的方式运行，只需要一组带通滤波器的电路，本发明节省了芯片面积，芯片面积和滤波器通道数目增加不是正比关系，降低晶体管制造工艺对滤波器中心频率的影响。同时在确定中心频率时，引入了脉冲时间tsubgt;i/subgt;，不需要电流镜像电路和晶体管匹配，提高带通滤波器组的中心频率的准确度，从而使得可以在一个特定的频率范围内加入更多的不同中心频率的带通滤波器。

技术领域

本发明涉及一种带通滤波器，并且更具体地，涉及用于语音活动检测的时分交织带通滤波器。

背景技术

在电池供电的物联网系统中，低功耗是决定系统终端使用时间的关键因素。在语音相关的物联网系统中，首先语音活动检测(voice activity detection,VAD)从背景噪声中识别出人声，然后再激活系统中其它高功耗模块，从而实现低功耗、持续待机的语音系统。

在语音活动检测中，需要分辨输入声音信号是人声还是背景噪音。嵌入式语音识别系统都采用了模式匹配的原理，对输入信号首先经过预处理，其中包括特征提取，即从输入信号波形中提取一组或几组能够描述该输入信号特征的参数。特征提取是语音活动检测识别率的关键，往往需要一组中心频率几何比例分布的带通滤波器。

鉴于此，传统语音活动检测是基于数字信号处理技术，是先把麦克风传感器输出的模拟信号通过数模转换器转换成数字信号。然后，通过算法实现数字的带通滤波器。但是数字实现方案需要高功耗的数模转换器并且数字带通滤波器本身也需要高功耗，而VAD作为一种常开的检测单元，需要以低功耗实现足够的分类精度。

近来区别于传统VAD，参考以下论文：“Design of an Always-On Deep NeuralNetwork-Based 1-μW Voice Activity Detector Aided With a Customized SoftwareModel for Analog Feature Extraction”，DOI:10.1109/JSSC.2019.2894360；“A 1μWvoice activity detector using analog feature extraction and digital deepneural network”，DOI:10.1109/IS；CC.2018.8310326；基于模拟技术的语音活动检测实现高识率，同时功耗只有1微瓦并且不需要高功耗的数模转换器。该方案实现低功耗的关键是利用16个并行的模拟带通滤波器直接对麦克风传感器输出的模拟信号进行处理。该方案使用了基于超级源跟随(super-source-follower,SSF)架构的带通滤波器组，在100Hz到5000Hz的频率范围内实现一组几何分布的多中心频率的带通滤波，从而得到输入信号的特征信息。

虽然通过基于超级源跟随架构的带通滤波器的特征提取能够实现低功耗语音活动检测，但该方案中存在两个缺点。第一，每一个中心频率都需要一组独立带通滤波器的电路，增大了芯片面积和成本。第二，在特定频率范围内实现多中心频率带通滤波器需要准确的中心频率，以防止多个带通滤波器的中心频率发生混叠，但是该方案中每一组带通滤波器的中心频率取决于该组滤波器采用的晶体管的跨导和金属电容的容值，限制了可实现的带通滤波器的组数和中心频率的准确度，因为晶体管的跨导匹配需要准确的电流镜像电路和相同的晶体管参数。然而实际上，晶体管的参数和电流镜像电路的匹配随着工艺制造过程的偏差和使用环境的不同，会产生比较大的偏差。

在语音物联网系统，如蓝牙耳机，智能手表等，这些系统方案对芯片面积大小有非常严格的限制，所以更小芯片面积的语音活动检测方案是很关键的。此外，基于模拟电路的特征提取比数字电路更容易受到工艺制造和使用环境的影响，如果采用的多个不同的晶体管电路组成带通滤波通道，会放大工艺制造这一因素的影响，使得每一组带通滤波器的中心频率不够精确，降低特征提取的准确率，这使得每一颗芯片都会有不一样的识别率。