解析微型數(shù)字傳聲器技術(shù)及其發(fā)展前景

1  引言

近幾年中國微型傳聲器產(chǎn)業(yè)正在飛速增長，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)的一個重要分支，在目前快速發(fā)展的手機、筆記本式計算機、平板計算機等多種數(shù)字消費領(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。下面重點介紹此類微型數(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，經(jīng)過USB接口音效芯片轉(zhuǎn)換為PC格式的數(shù)字信號輸出接口，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，可以直接與相應(yīng)的編解碼芯片（ CODEC）進行數(shù)字信號的傳輸。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　　

隨著計算機技術(shù)對廣大消費電子領(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到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。由于數(shù)字技術(shù)的日漸成熟，越來越多的IC設(shè)計公司開始設(shè)計出帶數(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　　

目前國際上IC廠商推向市場的內(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)，將信號按時間分割，保持幅度恒定，具有高取樣率、噪聲整形和比特字長短的特點。變換可以在高取樣率、低分辨率的量化器中進行，可廣泛用于音頻信號數(shù)字化的∑一△模數(shù)編碼器（ADC）及數(shù)字信號還原為模擬音頻信號的∑一△數(shù)模解碼器（ DAC）。　　

∑一△變換時根據(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所帶來的量化非線性誤差、糾錯困難的缺點?！　?/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　　

模擬信號轉(zhuǎn)換成PCM信號，根據(jù)奈奎斯特準則，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模擬信號采樣后進行量化編碼，每個采樣點可以用多位比特的數(shù)據(jù)量化。量化比特數(shù)越多，采樣精確越高，失真越小，但是電路會變復(fù)雜，成本相對增高，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，對模擬信號進行過采樣（只能用于帶寬有限的信號，不適合寬頻信號，例如視頻信號），采樣率由外部時鐘提供。過采樣可使量化噪聲遠離被采樣的音頻信號。離信號主頻？s越近，噪聲幅度越小。同時對抗混疊濾波器的要求大大降低，可以達到很高的精度，具體原理及時序圖分別見圖3和圖4.
 
 

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2.2.2取樣時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　　

取樣時鐘與音頻帶寬上限的關(guān)系見表1.

表1  取樣時鐘頻率與音頻帶寬上限對應(yīng)表　　

2.3微機電（MEMS）數(shù)字傳聲器　　

業(yè)內(nèi)人士分析，2012年以后，微機電（ MEMS）傳聲器市場將真正開始走上發(fā)展快車道。微機電（ MEMS）傳聲器尤其是微機電（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、錄音機、攝像機、用于VoIP的筆記本式計算機、數(shù)碼相機、MP3播放機和交互式游戲機。廣泛應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品的語音控制被認為是一個利潤豐厚的市場。汽車上的免提通信和導(dǎo)航設(shè)備也是微機電（ MEMS）傳聲器一個具有增長潛力的市場。　　

雖然駐極體（ ECM）數(shù)字傳聲器較微機電（MEMS）數(shù)字傳聲器目前還有一定的價格優(yōu)勢，但是微機電（ 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)（后進聲形式）、耐熱性（可回流焊）以及長期穩(wěn)定性上都具有較大優(yōu)勢，仍是新型數(shù)字消費產(chǎn)品設(shè)計時優(yōu)先考慮的電聲采購器件?！　?/p>

微機電（ MEMS）數(shù)字傳聲器主要由微機電換能器（ 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。

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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。首先，移動設(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，如筆記本式計算機，集成了藍牙和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進行，這在移動設(shè)備中通常會遇到環(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到陣列拾音技術(shù)的實現(xiàn)，對于抑制環(huán)境背景噪聲和消除通話時的線路回聲方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢，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主角地位仍需時日，目前傳統(tǒng)微型傳聲器仍在市場中占據(jù)主流地位。2008年是全球數(shù)字傳聲器市場崛起之年，2008年全球傳聲器市場產(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，國內(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)濟衰退，數(shù)字傳聲器的強勁成長態(tài)勢出現(xiàn)了較大的減緩?！　?/p>

盡管歷經(jīng)2009年的衰退，但在移動手持裝置與其他類似應(yīng)用的強力驅(qū)動下，2010年以來數(shù)字傳聲器市場已經(jīng)明確顯現(xiàn)出強勢復(fù)蘇的勢頭，數(shù)字傳聲器應(yīng)用市場也從以筆記本式計算機為主的市場擴大至新型智能手機為主的領(lǐng)域。尤其是全球微機電（MEMS）傳聲器市場的強勢發(fā)展，可以預(yù)計數(shù)字傳聲器尤其是微機電（ MEMS）數(shù)字傳聲器占據(jù)傳聲器主流市場的時日不會太遠了。　　

2010年全球微型駐極體傳聲器應(yīng)用領(lǐng)域市場分布見圖9;2007 - 2015年全球微型駐極體傳聲器銷量發(fā)展趨勢見圖10;2006 - 2013年全球微機電（ MEMS）傳聲器市場預(yù)測見圖11.

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

其具體理由如下：　　

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

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

（3）另外，頭戴式耳機也越來越多地采用主動降噪功能。芬蘭諾基亞2009年2月發(fā)布了使用10只微機電（ MEMS）傳聲器、配備有主動降噪功能的頭戴式耳機。該主動降噪功能由諾基亞和英國歐勝微電子（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?！　?/p>

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

圖11  美國iSuppli發(fā)布的全球微機電（MEMS）傳聲器市場預(yù)測　　

5  結(jié)束語　　

微型傳聲器作為電聲器件領(lǐng)域的一個重要分支，是一支具有強大生命力的生力軍。自20世紀70年代末駐極體電容傳聲器（ ECM）引入中國以來，其應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛與產(chǎn)量的激增，遠遠超出了任何人的預(yù)期與規(guī)劃，消費領(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)字傳聲器的市場前景是不可忽視的，相對于認為微型傳聲器已經(jīng)沒有什么發(fā)展前景的悲觀論點，筆者卻持有樂觀論點。只要人類需要歌唱、對話與交流，只要人類不斷創(chuàng)造夢想的激情不會消失，傳聲器將永遠是人類聲音的忠實代言者。