解析微型數(shù)字傳聲器技術(shù)及其發(fā)展前景

1  引言

近幾年中國(guó)微型傳聲器產(chǎn)業(yè)正在飛速增長(zhǎng)，尤其微型數(shù)字傳聲器的應(yīng)用需求日益高漲，作為傳聲器技術(shù)的一個(gè)重要分支，在目前快速發(fā)展的手機(jī)、筆記本式計(jì)算機(jī)、平板計(jì)算機(jī)等多種數(shù)字消費(fèi)領(lǐng)域中有著非常廣闊的應(yīng)用前途，并且已經(jīng)顯示出加速發(fā)展的趨勢(shì)。下面重點(diǎn)介紹此類微型數(shù)字傳聲器的技術(shù)與發(fā)展。

2  微型數(shù)字傳聲器技術(shù)　　

2.1微型數(shù)字傳聲器原理　　

數(shù)字傳聲器，顧名思義就是直接輸出數(shù)字脈沖信號(hào)的傳聲器電聲器件。從應(yīng)用角度來劃分，可以分為兩類：一類為USB接口的數(shù)字傳聲器，其核心電聲換能器件仍為模擬音頻輸出信號(hào)，經(jīng)過USB接口音效芯片轉(zhuǎn)換為PC格式的數(shù)字信號(hào)輸出接口，此類傳聲器多數(shù)作為PC周邊配套外設(shè)，如USB接口錄音傳聲器、USB接口耳麥等，嚴(yán)格說來，此類數(shù)字傳聲器應(yīng)稱為數(shù)字接口傳聲器。另一類為真正意義上的數(shù)字傳聲器，此類傳聲器采用內(nèi)置阻抗變換、前置增益、A/D編碼器的IC芯片，作為電聲換能器件直接輸出的便是脈沖數(shù)字信號(hào)，可以直接與相應(yīng)的編解碼芯片（ CODEC）進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的傳輸。數(shù)字傳聲器接口原理如圖1

圖1  數(shù)字傳聲器接口原理圖　　

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)廣大消費(fèi)電子領(lǐng)域的日益滲透，數(shù)字技術(shù)在音視頻領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)無處不在。早期音頻處理芯片均采用模擬傳聲器接口技術(shù)，由音效芯片的A/D部分完成模擬音頻信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于數(shù)字技術(shù)的日漸成熟，越來越多的IC設(shè)計(jì)公司開始設(shè)計(jì)出帶數(shù)字傳聲器接口的新型音頻芯片（ HAD CODEC）及DSP芯片，由此推動(dòng)了微型數(shù)字傳聲器的研發(fā)與應(yīng)用?！　?/p>

2.2數(shù)字傳聲器A/D變換原理　　

目前國(guó)際上IC廠商推向市場(chǎng)的內(nèi)置式數(shù)字傳聲器IC芯片普遍采用∑一△模數(shù)轉(zhuǎn)換編碼格式，此編碼格式與相關(guān)應(yīng)用設(shè)備采用的DSP及CODEC芯片的數(shù)字傳聲器輸入接口格式相兼容?！　?/p>

與常規(guī)PCM編碼器不同，∑一△變換采用過取樣技術(shù)，將信號(hào)按時(shí)間分割，保持幅度恒定，具有高取樣率、噪聲整形和比特字長(zhǎng)短的特點(diǎn)。變換可以在高取樣率、低分辨率的量化器中進(jìn)行，可廣泛用于音頻信號(hào)數(shù)字化的∑一△模數(shù)編碼器（ADC）及數(shù)字信號(hào)還原為模擬音頻信號(hào)的∑一△數(shù)模解碼器（ DAC）?！　?/p>

∑一△變換時(shí)根據(jù)采用的具體結(jié)構(gòu)可采用I bit或多比特變換，目前數(shù)字傳聲器普遍使用的∑一△ADC采用了1 bit變換技術(shù)，克服了采用多比特變換時(shí)所帶來的量化非線性誤差、糾錯(cuò)困難的缺點(diǎn)?！　?/p>

數(shù)字傳聲器結(jié)構(gòu)及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片原理見圖2.

圖2數(shù)字傳聲器結(jié)構(gòu)及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片原理圖　　

2.2.1∑一△轉(zhuǎn)換器　　

模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成PCM信號(hào)，根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，通常必須用大于采樣樣本最高頻率2倍以上的固定采樣率對(duì)模擬信號(hào)采樣后進(jìn)行量化編碼，每個(gè)采樣點(diǎn)可以用多位比特的數(shù)據(jù)量化。量化比特?cái)?shù)越多，采樣精確越高，失真越小，但是電路會(huì)變復(fù)雜，成本相對(duì)增高，不適合低成本數(shù)字傳聲器模數(shù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用。微型數(shù)字傳聲器通常采用1位∑一△模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行過采樣（只能用于帶寬有限的信號(hào)，不適合寬頻信號(hào)，例如視頻信號(hào)），采樣率由外部時(shí)鐘提供。過采樣可使量化噪聲遠(yuǎn)離被采樣的音頻信號(hào)。離信號(hào)主頻？s越近，噪聲幅度越小。同時(shí)對(duì)抗混疊濾波器的要求大大降低，可以達(dá)到很高的精度，具體原理及時(shí)序圖分別見圖3和圖4.
 
 

2.2.2取樣時(shí)鐘與音頻帶寬上限的關(guān)系　　

微型數(shù)字傳聲器音頻帶寬（ BW）上限取決于時(shí)鐘（ CLK）與2倍過采樣率（OSR）之比。l bit∑一△轉(zhuǎn)換器（ADC）的過采樣率OSR= 60.音頻帶寬計(jì)算公式如下　　

BW= CLK/（2×60）    （1）　　

例如：1.2 MHz clk→BW= 1.2 M/（2 x60）=10 kHz　　

取樣時(shí)鐘與音頻帶寬上限的關(guān)系見表1.

表1  取樣時(shí)鐘頻率與音頻帶寬上限對(duì)應(yīng)表　　

2.3微機(jī)電（MEMS）數(shù)字傳聲器　　

業(yè)內(nèi)人士分析，2012年以后，微機(jī)電（ MEMS）傳聲器市場(chǎng)將真正開始走上發(fā)展快車道。微機(jī)電（ MEMS）傳聲器尤其是微機(jī)電（MEMS）數(shù)字傳聲器的大量新應(yīng)用已經(jīng)涌現(xiàn)出來。包括：手持設(shè)備、有源降噪耳機(jī)、錄音機(jī)、攝像機(jī)、用于VoIP的筆記本式計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放機(jī)和交互式游戲機(jī)。廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品的語音控制被認(rèn)為是一個(gè)利潤(rùn)豐厚的市場(chǎng)。汽車上的免提通信和導(dǎo)航設(shè)備也是微機(jī)電（ MEMS）傳聲器一個(gè)具有增長(zhǎng)潛力的市場(chǎng)?！　?/p>

雖然駐極體（ ECM）數(shù)字傳聲器較微機(jī)電（MEMS）數(shù)字傳聲器目前還有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但是微機(jī)電（ MEMS）數(shù)字傳聲器在尺寸（小至2.6 mm×1.6 mm×1.0 mm）、結(jié)構(gòu)（后進(jìn)聲形式）、耐熱性（可回流焊）以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性上都具有較大優(yōu)勢(shì)，仍是新型數(shù)字消費(fèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮的電聲采購(gòu)器件。　　

微機(jī)電（ MEMS）數(shù)字傳聲器主要由微機(jī)電換能器（ MEMS sensor）、內(nèi)含充電電荷泵的數(shù)字傳聲器專用芯片（ASIC）、印刷電路基板（PCB）及屏蔽外殼組成。微機(jī)電（ MEMS）數(shù)字傳聲器原理與封裝結(jié)構(gòu)圖分別如圖5、圖6所示。

3  微型數(shù)字傳聲器應(yīng)用

數(shù)字ECM或MEMS傳聲器和傳統(tǒng)的ECM傳聲器相比，有著不可取代的優(yōu)勢(shì)。首先，移動(dòng)設(shè)備向小型化數(shù)字化發(fā)展，急需數(shù)字拾音器件和技術(shù)與之配套；第二，數(shù)字設(shè)備包含的功能單元越來越多，如筆記本式計(jì)算機(jī)，集成了藍(lán)牙和WiFi無線功能，傳聲器的安裝位置距離這些干擾源很近，設(shè)備對(duì)傳聲器抗干擾性能的要求越來越高；第三，隨著三網(wǎng)合一的發(fā)展，需要上網(wǎng)、視頻和語音傳輸可以同時(shí)進(jìn)行，這在移動(dòng)設(shè)備中通常會(huì)遇到環(huán)境背景噪聲和線路回聲的影響；第四，從提高生產(chǎn)效率的角度考慮，希望對(duì)傳聲器元件采用SMT工藝焊接組裝。數(shù)字傳聲器尤其是具有集成電路本質(zhì)的微機(jī)電（ MEMS）數(shù)字傳聲器更加適合SMT焊接組裝工藝，為了解決系統(tǒng)各種射頻干擾對(duì)語音通信產(chǎn)生的噪聲，數(shù)字傳聲器尤其適用于通過算法編程達(dá)到陣列拾音技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于抑制環(huán)境背景噪聲和消除通話時(shí)的線路回聲方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，數(shù)字傳聲器輸出接口格式同數(shù)字處理系統(tǒng)具有高度的接口兼容性。數(shù)字傳聲器的應(yīng)用見圖7~8.

4 微型數(shù)字傳聲器現(xiàn)狀與發(fā)展　　

目前，數(shù)字傳聲器的應(yīng)用已經(jīng)日益普遍，但要取得微型傳聲器市場(chǎng)主角地位仍需時(shí)日，目前傳統(tǒng)微型傳聲器仍在市場(chǎng)中占據(jù)主流地位。2008年是全球數(shù)字傳聲器市場(chǎng)崛起之年，2008年全球傳聲器市場(chǎng)產(chǎn)量約為28億只，MEMS傳聲器產(chǎn)量約為3.3億只，其中ECM數(shù)字傳聲器產(chǎn)量據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)綜合出貨量約為l億只左右。在2009年期間，由于經(jīng)歷了全球性經(jīng)濟(jì)衰退，數(shù)字傳聲器的強(qiáng)勁成長(zhǎng)態(tài)勢(shì)出現(xiàn)了較大的減緩。　　

盡管歷經(jīng)2009年的衰退，但在移動(dòng)手持裝置與其他類似應(yīng)用的強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)下，2010年以來數(shù)字傳聲器市場(chǎng)已經(jīng)明確顯現(xiàn)出強(qiáng)勢(shì)復(fù)蘇的勢(shì)頭，數(shù)字傳聲器應(yīng)用市場(chǎng)也從以筆記本式計(jì)算機(jī)為主的市場(chǎng)擴(kuò)大至新型智能手機(jī)為主的領(lǐng)域。尤其是全球微機(jī)電（MEMS）傳聲器市場(chǎng)的強(qiáng)勢(shì)發(fā)展，可以預(yù)計(jì)數(shù)字傳聲器尤其是微機(jī)電（ MEMS）數(shù)字傳聲器占據(jù)傳聲器主流市場(chǎng)的時(shí)日不會(huì)太遠(yuǎn)了。　　

2010年全球微型駐極體傳聲器應(yīng)用領(lǐng)域市場(chǎng)分布見圖9;2007 - 2015年全球微型駐極體傳聲器銷量發(fā)展趨勢(shì)見圖10;2006 - 2013年全球微機(jī)電（ MEMS）傳聲器市場(chǎng)預(yù)測(cè)見圖11.

近期美國(guó)iSuppli發(fā)表預(yù)測(cè)稱，2013年全球微機(jī)電（ MEMS）傳聲器市場(chǎng)將擴(kuò)大至12億只的規(guī)模。而原先2009年9月的預(yù)測(cè)為，"2013年將從2008年的約3億只擴(kuò)大至11億只".與原來的預(yù)測(cè)相比，2013年的預(yù)測(cè)值增加了1億只。此次上調(diào)預(yù)測(cè)的根據(jù)如下：以美國(guó)谷歌的智能手機(jī)"Nexus One"和摩托羅拉的手機(jī)"DROID"采用消除周圍噪聲的主動(dòng)降噪（Active Noise Cancel）功能為契機(jī)，預(yù)計(jì)微機(jī)電（MEMS）傳聲器面向手機(jī)市場(chǎng)的用途將迅速擴(kuò)大　　

其具體理由如下：　　

（1）為了實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪功能，Nexus One和DROID配備了2只以上的微機(jī)電（MEMS）傳聲器和專用噪聲控制大規(guī)模集成芯片（ LSI）?！　?/p>

（2）作為面向主動(dòng)降噪功能的的傳聲器，微機(jī)電（ MEMS）傳聲器相對(duì)于現(xiàn)有的駐極體傳聲器（Electret Condenser Microphone）具有優(yōu)勢(shì)。原因是，微機(jī)電（ MEMS）傳聲器尺寸小、靈敏度高、信噪比高、與數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）具有較高的適應(yīng)性?！　?/p>

（3）另外，頭戴式耳機(jī)也越來越多地采用主動(dòng)降噪功能。芬蘭諾基亞2009年2月發(fā)布了使用10只微機(jī)電（ MEMS）傳聲器、配備有主動(dòng)降噪功能的頭戴式耳機(jī)。該主動(dòng)降噪功能由諾基亞和英國(guó)歐勝微電子（Wolfson Microelectronics）共同開發(fā)。索尼也發(fā)布了可將周圍噪聲最大降低99%的頭戴式耳機(jī)?！　?/p>

除手機(jī)以外的其他產(chǎn)品也越來越多地配備微機(jī)電（MEMS）傳聲器。iSuppli稱進(jìn)行拆解時(shí)發(fā)現(xiàn)，美國(guó)蘋果帶視頻拍攝功能的"iPod nano"配備有美國(guó)模擬器件公司的微機(jī)電（ MEMS）傳聲器。此外，筆記本式計(jì)算機(jī)中配備兩只微機(jī)電（ MEMS）傳聲器的產(chǎn)品不斷增多。

圖11  美國(guó)iSuppli發(fā)布的全球微機(jī)電（MEMS）傳聲器市場(chǎng)預(yù)測(cè)　　

5  結(jié)束語　　

微型傳聲器作為電聲器件領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，是一支具有強(qiáng)大生命力的生力軍。自20世紀(jì)70年代末駐極體電容傳聲器（ ECM）引入中國(guó)以來，其應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛與產(chǎn)量的激增，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了任何人的預(yù)期與規(guī)劃，消費(fèi)領(lǐng)域數(shù)碼產(chǎn)品層出不窮地更新?lián)Q代，更加說明微型傳聲器尤其是微型數(shù)字傳聲器的市場(chǎng)前景是不可忽視的，相對(duì)于認(rèn)為微型傳聲器已經(jīng)沒有什么發(fā)展前景的悲觀論點(diǎn)，筆者卻持有樂觀論點(diǎn)。只要人類需要歌唱、對(duì)話與交流，只要人類不斷創(chuàng)造夢(mèng)想的激情不會(huì)消失，傳聲器將永遠(yuǎn)是人類聲音的忠實(shí)代言者。