波束成形與降噪技術(shù)提高SNR MEMS麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)聲控
[導(dǎo)讀]因應(yīng)語(yǔ)音控制與聲紋識(shí)別應(yīng)用快速熱燒，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)制造商已加緊研發(fā)波束成形(Beam Forming)與降噪技術(shù)，藉此提升麥克風(fēng)訊噪比(SNR)，強(qiáng)化辨識(shí)精準(zhǔn)度，讓使用者即便身處嘈雜環(huán)境，也能透過(guò)語(yǔ)音準(zhǔn)確操控各種
因應(yīng)語(yǔ)音控制與聲紋識(shí)別應(yīng)用快速熱燒，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)制造商已加緊研發(fā)波束成形(Beam Forming)與降噪技術(shù)，藉此提升麥克風(fēng)訊噪比(SNR)，強(qiáng)化辨識(shí)精準(zhǔn)度，讓使用者即便身處嘈雜環(huán)境，也能透過(guò)語(yǔ)音準(zhǔn)確操控各種電子裝置。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)是一種具有駐極體電容麥克風(fēng)(Electret Condenser Microphone, ECM)功能的聲音感測(cè)晶片，被廣泛用于手機(jī)、平板裝置、筆記型電腦、智慧電視(Smart TV)、汽車(chē)語(yǔ)音辨識(shí)、游戲機(jī)和遙控器等現(xiàn)代電子裝置中。
根據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)IHS iSuppli的資料顯示，可靠的單晶片結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的抗機(jī)械振動(dòng)性能、精巧的尺寸及可選數(shù)位輸出，使MEMS麥克風(fēng)在消費(fèi)性電子和手機(jī)市場(chǎng)于2010?2014年間年復(fù)合成長(zhǎng)率(CAGR)達(dá)23%。
此外，MEMS麥克風(fēng)陣列可大幅改善音質(zhì)。舉例來(lái)說(shuō)，產(chǎn)業(yè)界已開(kāi)發(fā)出尺寸精巧、靈敏度匹配優(yōu)異、頻率響應(yīng)(Frequency Response)出色，且能夠在麥克風(fēng)陣列中實(shí)現(xiàn)雜訊降低和回音消除，以及波束成形(Beam Forming)功能的MEMS麥克風(fēng)。其中，波束成形是一個(gè)切斷聲音與位置關(guān)系的音效處理技術(shù)。隨著手機(jī)等行動(dòng)裝置在吵鬧和不可控制環(huán)境中的使用頻率不斷地增加，雜訊降低和波束成形功能變得十分重要。
MEMS麥克風(fēng)主要分為類(lèi)比麥克風(fēng)和數(shù)位麥克風(fēng)兩大類(lèi)。類(lèi)比麥克風(fēng)是將聲音訊號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電壓輸出；而數(shù)位麥克風(fēng)是將聲音轉(zhuǎn)化成數(shù)位輸出，其典型輸出是脈沖密度調(diào)變(PDM)。
MEMS麥克風(fēng)本質(zhì)上是聲能轉(zhuǎn)換器(Acoustic Transducer)。轉(zhuǎn)換原理是改變固定板(背板)和運(yùn)動(dòng)板(振膜)間的耦合電容；聲音穿透聲孔，推動(dòng)振膜運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)兩個(gè)傳導(dǎo)板間的氣隙，從而引起電容變化；而后室是聲音共振器；通風(fēng)孔則排出后室內(nèi)的壓縮空氣，以便振膜恢復(fù)原狀(圖1)。
圖1 MEMS麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)
MEMS麥克風(fēng)主要設(shè)計(jì)考量
MEMS麥克風(fēng)主要參數(shù)包括靈敏度、方向性、訊噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)、動(dòng)態(tài)范圍和聲學(xué)超載點(diǎn)、頻率響應(yīng)等，以下分項(xiàng)加以細(xì)說(shuō)。
．靈敏度
靈敏度是麥克風(fēng)輸出電訊號(hào)與給定輸入聲壓之比?；鶞?zhǔn)聲壓是1Pa
或94dBSPL@1kHz，而典型靈敏度單位分成兩部分，類(lèi)比麥克風(fēng)的靈敏度單位為mV/Pa或dBV，且dBV=20×Log(mV/Pa/1V/Pa)；數(shù)位麥克風(fēng)的靈敏度單位則為%FS或dBFS，而dBFS=20×Log(%FS/1FS)。
．方向性
方向性表示與聲音到達(dá)方向相關(guān)的靈敏度回應(yīng)的變化。若MEMS麥克風(fēng)是全方向性，這意味靈敏度在麥克風(fēng)周?chē)我庖粼次恢枚疾粫?huì)變化。方向性也可以用在Cartesian軸上的靈敏度偏移與角度之比表示，也可以用空間靈敏度回應(yīng)分布極座標(biāo)圖表示。
[@B]．訊噪比[@C] ．訊噪比
訊噪比是麥克風(fēng)輸出中給定基準(zhǔn)訊號(hào)與殘余雜訊之比，而基準(zhǔn)訊號(hào)是當(dāng)聲壓為1Pa@1kHz時(shí)，麥克風(fēng)輸出端的標(biāo)準(zhǔn)訊號(hào)。另外，雜訊訊號(hào)(殘余雜訊)是靜音時(shí)麥克風(fēng)的輸出電訊號(hào)，雜訊訊號(hào)通常包括MEMS單元的雜訊和特殊應(yīng)用積體電路(ASIC)的雜訊。雜訊級(jí)通常是在消聲環(huán)境中測(cè)量雜訊，然后用A加權(quán)方法修改所采集的雜訊。A加權(quán)濾波器與人耳頻率響應(yīng)相關(guān)。
．動(dòng)態(tài)范圍和聲學(xué)超載點(diǎn)
所謂的動(dòng)態(tài)范圍，是MEMS麥克風(fēng)在不失真條件下，偵測(cè)到的最大聲音和最小聲音之間的差值。麥克風(fēng)在不失真條件下聽(tīng)到的最大訊號(hào)，叫做聲學(xué)超載點(diǎn)(AOP)，例如意法半導(dǎo)體的類(lèi)比MEMS麥克風(fēng)AOP值與數(shù)位MEMS麥克風(fēng)的AOP值相同，均為120dBSPL聲壓。此外，麥克風(fēng)在不失真條件下聽(tīng)到的最小訊號(hào)，取決于訊噪比。換言之，最小訊號(hào)相當(dāng)于殘余雜訊，用dBSPL來(lái)表示。
．頻率響應(yīng)
若從量級(jí)角度來(lái)描述麥克風(fēng)頻率響應(yīng)，即表示靈敏度在頻帶范圍內(nèi)的變化。該參數(shù)還可表示輸出訊號(hào)與基準(zhǔn)值0dB的偏差。頻率響應(yīng)測(cè)量所用基準(zhǔn)，通常就是麥克風(fēng)的靈敏度，如0dB=94dBSPL@1kHz。此外，麥克風(fēng)頻率響應(yīng)通常表示因通風(fēng)孔而導(dǎo)致頻率響應(yīng)低頻降低，以及因Helmholtz效應(yīng)而導(dǎo)致頻率響應(yīng)高頻上升。除此之外，若從相位角度來(lái)描述麥克風(fēng)頻率響應(yīng)，則表示麥克風(fēng)引起的相位失真，換言之，頻率響應(yīng)表示推動(dòng)麥克風(fēng)振膜的聲波與麥克風(fēng)輸出電訊號(hào)間的延遲，該參數(shù)包括振膜和ASIC引起的失真。
方向性操控佳 應(yīng)用范圍廣
全方向性麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)通常被視為一個(gè)完美的三維(3D)球形。直徑最小的麥克風(fēng)在高頻時(shí)提供最佳的全方向性，因此MEMS麥克風(fēng)是最佳的全方向性麥克風(fēng)。倘若使用MEMS麥克風(fēng)組建麥克風(fēng)陣列，可按照理想的聲學(xué)模式調(diào)整頻率響應(yīng)(圖2)。此外，一對(duì)麥克風(fēng)的訊號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，可調(diào)整頻率響應(yīng)在X軸上的位置(圖3)。
圖2 麥克風(fēng)陣列
圖3 麥克風(fēng)應(yīng)用示例
某些MEMS麥克風(fēng)特別適合用于要求嚴(yán)格的遠(yuǎn)距離語(yǔ)音交互系統(tǒng)。其精巧的外觀(guān)設(shè)計(jì)有助于研發(fā)人員將麥克風(fēng)陣列嵌入自動(dòng)化家庭的墻壁、書(shū)桌或具有語(yǔ)音功能的家電內(nèi)。即便房間內(nèi)有很多人并同時(shí)在播放音樂(lè)，優(yōu)異的聲學(xué)特性結(jié)合先進(jìn)的訊號(hào)處理技術(shù)，也能讓MEMS麥克風(fēng)從幾公尺外識(shí)別，并采集使用者的語(yǔ)音命令。
遠(yuǎn)距離語(yǔ)音交互功能不僅會(huì)大幅改變?nèi)藱C(jī)對(duì)話(huà)模式，還會(huì)為行動(dòng)不便的老弱病殘人士帶來(lái)福音；除家庭應(yīng)用外，遠(yuǎn)距離語(yǔ)音交互系統(tǒng)還可適用于機(jī)器人、遠(yuǎn)端呈現(xiàn)、監(jiān)控和工業(yè)自動(dòng)化等各種不同領(lǐng)域。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著 MEMS麥克風(fēng)看俏
目前有些廠(chǎng)商也推出塑膠封裝的MEMS麥克風(fēng)，這項(xiàng)突破性的專(zhuān)利技術(shù)很適合安裝在排線(xiàn)印刷電路板(PCB)上，簡(jiǎn)化當(dāng)前空間受限的消費(fèi)性電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并且準(zhǔn)許設(shè)備廠(chǎng)商選擇將拾音孔置于封裝的頂部或底部，以確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)盡可能纖薄，以縮短環(huán)境至麥克風(fēng)的聲音路徑。
拾音孔置于頂部的麥克風(fēng)是筆記型電腦和平板電腦的首選拾音器；而拾音孔置于底部的麥克風(fēng)適用于大多數(shù)手機(jī)設(shè)計(jì)。
MEMS麥克風(fēng)正進(jìn)軍新的應(yīng)用領(lǐng)域，如聲控游戲、汽車(chē)語(yǔ)音系統(tǒng)、工業(yè)和安全用聲音感測(cè)器、醫(yī)學(xué)遙測(cè)。其獨(dú)一無(wú)二的結(jié)構(gòu)、性能和尺寸，讓無(wú)法想像的概念能夠提早實(shí)現(xiàn)。 [!--empirenews.page--]
(本文作者任職于意法半導(dǎo)體)
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)是一種具有駐極體電容麥克風(fēng)(Electret Condenser Microphone, ECM)功能的聲音感測(cè)晶片，被廣泛用于手機(jī)、平板裝置、筆記型電腦、智慧電視(Smart TV)、汽車(chē)語(yǔ)音辨識(shí)、游戲機(jī)和遙控器等現(xiàn)代電子裝置中。
根據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)IHS iSuppli的資料顯示，可靠的單晶片結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的抗機(jī)械振動(dòng)性能、精巧的尺寸及可選數(shù)位輸出，使MEMS麥克風(fēng)在消費(fèi)性電子和手機(jī)市場(chǎng)于2010?2014年間年復(fù)合成長(zhǎng)率(CAGR)達(dá)23%。
此外，MEMS麥克風(fēng)陣列可大幅改善音質(zhì)。舉例來(lái)說(shuō)，產(chǎn)業(yè)界已開(kāi)發(fā)出尺寸精巧、靈敏度匹配優(yōu)異、頻率響應(yīng)(Frequency Response)出色，且能夠在麥克風(fēng)陣列中實(shí)現(xiàn)雜訊降低和回音消除，以及波束成形(Beam Forming)功能的MEMS麥克風(fēng)。其中，波束成形是一個(gè)切斷聲音與位置關(guān)系的音效處理技術(shù)。隨著手機(jī)等行動(dòng)裝置在吵鬧和不可控制環(huán)境中的使用頻率不斷地增加，雜訊降低和波束成形功能變得十分重要。
MEMS麥克風(fēng)主要分為類(lèi)比麥克風(fēng)和數(shù)位麥克風(fēng)兩大類(lèi)。類(lèi)比麥克風(fēng)是將聲音訊號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電壓輸出；而數(shù)位麥克風(fēng)是將聲音轉(zhuǎn)化成數(shù)位輸出，其典型輸出是脈沖密度調(diào)變(PDM)。
MEMS麥克風(fēng)本質(zhì)上是聲能轉(zhuǎn)換器(Acoustic Transducer)。轉(zhuǎn)換原理是改變固定板(背板)和運(yùn)動(dòng)板(振膜)間的耦合電容；聲音穿透聲孔，推動(dòng)振膜運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)兩個(gè)傳導(dǎo)板間的氣隙，從而引起電容變化；而后室是聲音共振器；通風(fēng)孔則排出后室內(nèi)的壓縮空氣，以便振膜恢復(fù)原狀(圖1)。
圖1 MEMS麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)
MEMS麥克風(fēng)主要設(shè)計(jì)考量
MEMS麥克風(fēng)主要參數(shù)包括靈敏度、方向性、訊噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)、動(dòng)態(tài)范圍和聲學(xué)超載點(diǎn)、頻率響應(yīng)等，以下分項(xiàng)加以細(xì)說(shuō)。
．靈敏度
靈敏度是麥克風(fēng)輸出電訊號(hào)與給定輸入聲壓之比?；鶞?zhǔn)聲壓是1Pa
或94dBSPL@1kHz，而典型靈敏度單位分成兩部分，類(lèi)比麥克風(fēng)的靈敏度單位為mV/Pa或dBV，且dBV=20×Log(mV/Pa/1V/Pa)；數(shù)位麥克風(fēng)的靈敏度單位則為%FS或dBFS，而dBFS=20×Log(%FS/1FS)。
．方向性
方向性表示與聲音到達(dá)方向相關(guān)的靈敏度回應(yīng)的變化。若MEMS麥克風(fēng)是全方向性，這意味靈敏度在麥克風(fēng)周?chē)我庖粼次恢枚疾粫?huì)變化。方向性也可以用在Cartesian軸上的靈敏度偏移與角度之比表示，也可以用空間靈敏度回應(yīng)分布極座標(biāo)圖表示。
[@B]．訊噪比[@C] ．訊噪比
訊噪比是麥克風(fēng)輸出中給定基準(zhǔn)訊號(hào)與殘余雜訊之比，而基準(zhǔn)訊號(hào)是當(dāng)聲壓為1Pa@1kHz時(shí)，麥克風(fēng)輸出端的標(biāo)準(zhǔn)訊號(hào)。另外，雜訊訊號(hào)(殘余雜訊)是靜音時(shí)麥克風(fēng)的輸出電訊號(hào)，雜訊訊號(hào)通常包括MEMS單元的雜訊和特殊應(yīng)用積體電路(ASIC)的雜訊。雜訊級(jí)通常是在消聲環(huán)境中測(cè)量雜訊，然后用A加權(quán)方法修改所采集的雜訊。A加權(quán)濾波器與人耳頻率響應(yīng)相關(guān)。
．動(dòng)態(tài)范圍和聲學(xué)超載點(diǎn)
所謂的動(dòng)態(tài)范圍，是MEMS麥克風(fēng)在不失真條件下，偵測(cè)到的最大聲音和最小聲音之間的差值。麥克風(fēng)在不失真條件下聽(tīng)到的最大訊號(hào)，叫做聲學(xué)超載點(diǎn)(AOP)，例如意法半導(dǎo)體的類(lèi)比MEMS麥克風(fēng)AOP值與數(shù)位MEMS麥克風(fēng)的AOP值相同，均為120dBSPL聲壓。此外，麥克風(fēng)在不失真條件下聽(tīng)到的最小訊號(hào)，取決于訊噪比。換言之，最小訊號(hào)相當(dāng)于殘余雜訊，用dBSPL來(lái)表示。
．頻率響應(yīng)
若從量級(jí)角度來(lái)描述麥克風(fēng)頻率響應(yīng)，即表示靈敏度在頻帶范圍內(nèi)的變化。該參數(shù)還可表示輸出訊號(hào)與基準(zhǔn)值0dB的偏差。頻率響應(yīng)測(cè)量所用基準(zhǔn)，通常就是麥克風(fēng)的靈敏度，如0dB=94dBSPL@1kHz。此外，麥克風(fēng)頻率響應(yīng)通常表示因通風(fēng)孔而導(dǎo)致頻率響應(yīng)低頻降低，以及因Helmholtz效應(yīng)而導(dǎo)致頻率響應(yīng)高頻上升。除此之外，若從相位角度來(lái)描述麥克風(fēng)頻率響應(yīng)，則表示麥克風(fēng)引起的相位失真，換言之，頻率響應(yīng)表示推動(dòng)麥克風(fēng)振膜的聲波與麥克風(fēng)輸出電訊號(hào)間的延遲，該參數(shù)包括振膜和ASIC引起的失真。
方向性操控佳 應(yīng)用范圍廣
全方向性麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)通常被視為一個(gè)完美的三維(3D)球形。直徑最小的麥克風(fēng)在高頻時(shí)提供最佳的全方向性，因此MEMS麥克風(fēng)是最佳的全方向性麥克風(fēng)。倘若使用MEMS麥克風(fēng)組建麥克風(fēng)陣列，可按照理想的聲學(xué)模式調(diào)整頻率響應(yīng)(圖2)。此外，一對(duì)麥克風(fēng)的訊號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，可調(diào)整頻率響應(yīng)在X軸上的位置(圖3)。
圖2 麥克風(fēng)陣列
圖3 麥克風(fēng)應(yīng)用示例
某些MEMS麥克風(fēng)特別適合用于要求嚴(yán)格的遠(yuǎn)距離語(yǔ)音交互系統(tǒng)。其精巧的外觀(guān)設(shè)計(jì)有助于研發(fā)人員將麥克風(fēng)陣列嵌入自動(dòng)化家庭的墻壁、書(shū)桌或具有語(yǔ)音功能的家電內(nèi)。即便房間內(nèi)有很多人并同時(shí)在播放音樂(lè)，優(yōu)異的聲學(xué)特性結(jié)合先進(jìn)的訊號(hào)處理技術(shù)，也能讓MEMS麥克風(fēng)從幾公尺外識(shí)別，并采集使用者的語(yǔ)音命令。
遠(yuǎn)距離語(yǔ)音交互功能不僅會(huì)大幅改變?nèi)藱C(jī)對(duì)話(huà)模式，還會(huì)為行動(dòng)不便的老弱病殘人士帶來(lái)福音；除家庭應(yīng)用外，遠(yuǎn)距離語(yǔ)音交互系統(tǒng)還可適用于機(jī)器人、遠(yuǎn)端呈現(xiàn)、監(jiān)控和工業(yè)自動(dòng)化等各種不同領(lǐng)域。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著 MEMS麥克風(fēng)看俏
目前有些廠(chǎng)商也推出塑膠封裝的MEMS麥克風(fēng)，這項(xiàng)突破性的專(zhuān)利技術(shù)很適合安裝在排線(xiàn)印刷電路板(PCB)上，簡(jiǎn)化當(dāng)前空間受限的消費(fèi)性電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并且準(zhǔn)許設(shè)備廠(chǎng)商選擇將拾音孔置于封裝的頂部或底部，以確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)盡可能纖薄，以縮短環(huán)境至麥克風(fēng)的聲音路徑。
拾音孔置于頂部的麥克風(fēng)是筆記型電腦和平板電腦的首選拾音器；而拾音孔置于底部的麥克風(fēng)適用于大多數(shù)手機(jī)設(shè)計(jì)。
MEMS麥克風(fēng)正進(jìn)軍新的應(yīng)用領(lǐng)域，如聲控游戲、汽車(chē)語(yǔ)音系統(tǒng)、工業(yè)和安全用聲音感測(cè)器、醫(yī)學(xué)遙測(cè)。其獨(dú)一無(wú)二的結(jié)構(gòu)、性能和尺寸，讓無(wú)法想像的概念能夠提早實(shí)現(xiàn)。 [!--empirenews.page--]
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