波束成形与降噪技术提高SNR MEMS麦克风实现精准声控
时间：2013-12-19 05:31:00
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[导读]因应语音控制与声纹识别应用快速热烧，微机电系统(MEMS)麦克风制造商已加紧研发波束成形(Beam Forming)与降噪技术，藉此提升麦克风讯噪比(SNR)，强化辨识精准度，让使用者即便身处嘈杂环境，也能透过语音准确操控各种
因应语音控制与声纹识别应用快速热烧，微机电系统(MEMS)麦克风制造商已加紧研发波束成形(Beam Forming)与降噪技术，藉此提升麦克风讯噪比(SNR)，强化辨识精准度，让使用者即便身处嘈杂环境，也能透过语音准确操控各种电子装置。
微机电系统(MEMS)麦克风是一种具有驻极体电容麦克风(Electret Condenser Microphone, ECM)功能的声音感测晶片，被广泛用于手机、平板装置、笔记型电脑、智慧电视(Smart TV)、汽车语音辨识、游戏机和遥控器等现代电子装置中。
根据市调机构IHS iSuppli的资料显示，可靠的单晶片结构、优异的抗机械振动性能、精巧的尺寸及可选数位输出，使MEMS麦克风在消费性电子和手机市场于2010?2014年间年复合成长率(CAGR)达23%。
此外，MEMS麦克风阵列可大幅改善音质。举例来说，产业界已开发出尺寸精巧、灵敏度匹配优异、频率响应(Frequency Response)出色，且能够在麦克风阵列中实现杂讯降低和回音消除，以及波束成形(Beam Forming)功能的MEMS麦克风。其中，波束成形是一个切断声音与位置关系的音效处理技术。随着手机等行动装置在吵闹和不可控制环境中的使用频率不断地增加，杂讯降低和波束成形功能变得十分重要。
MEMS麦克风主要分为类比麦克风和数位麦克风两大类。类比麦克风是将声音讯号转化成相应电压输出；而数位麦克风是将声音转化成数位输出，其典型输出是脉冲密度调变(PDM)。
MEMS麦克风本质上是声能转换器(Acoustic Transducer)。转换原理是改变固定板(背板)和运动板(振膜)间的耦合电容；声音穿透声孔，推动振膜运动，调节两个传导板间的气隙，从而引起电容变化；而后室是声音共振器；通风孔则排出后室内的压缩空气，以便振膜恢复原状(图1)。
图1 MEMS麦克风结构
MEMS麦克风主要设计考量
MEMS麦克风主要参数包括灵敏度、方向性、讯噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)、动态范围和声学超载点、频率响应等，以下分项加以细说。
．灵敏度
灵敏度是麦克风输出电讯号与给定输入声压之比。基准声压是1Pa
或94dBSPL@1kHz，而典型灵敏度单位分成两部分，类比麦克风的灵敏度单位为mV/Pa或dBV，且dBV=20×Log(mV/Pa/1V/Pa)；数位麦克风的灵敏度单位则为%FS或dBFS，而dBFS=20×Log(%FS/1FS)。
．方向性
方向性表示与声音到达方向相关的灵敏度回应的变化。若MEMS麦克风是全方向性，这意味灵敏度在麦克风周围任意音源位置都不会变化。方向性也可以用在Cartesian轴上的灵敏度偏移与角度之比表示，也可以用空间灵敏度回应分布极座标图表示。
[@B]．讯噪比[@C] ．讯噪比
讯噪比是麦克风输出中给定基准讯号与残余杂讯之比，而基准讯号是当声压为1Pa@1kHz时，麦克风输出端的标准讯号。另外，杂讯讯号(残余杂讯)是静音时麦克风的输出电讯号，杂讯讯号通常包括MEMS单元的杂讯和特殊应用积体电路(ASIC)的杂讯。杂讯级通常是在消声环境中测量杂讯，然后用A加权方法修改所采集的杂讯。A加权滤波器与人耳频率响应相关。
．动态范围和声学超载点
所谓的动态范围，是MEMS麦克风在不失真条件下，侦测到的最大声音和最小声音之间的差值。麦克风在不失真条件下听到的最大讯号，叫做声学超载点(AOP)，例如意法半导体的类比MEMS麦克风AOP值与数位MEMS麦克风的AOP值相同，均为120dBSPL声压。此外，麦克风在不失真条件下听到的最小讯号，取决于讯噪比。换言之，最小讯号相当于残余杂讯，用dBSPL来表示。
．频率响应
若从量级角度来描述麦克风频率响应，即表示灵敏度在频带范围内的变化。该参数还可表示输出讯号与基准值0dB的偏差。频率响应测量所用基准，通常就是麦克风的灵敏度，如0dB=94dBSPL@1kHz。此外，麦克风频率响应通常表示因通风孔而导致频率响应低频降低，以及因Helmholtz效应而导致频率响应高频上升。除此之外，若从相位角度来描述麦克风频率响应，则表示麦克风引起的相位失真，换言之，频率响应表示推动麦克风振膜的声波与麦克风输出电讯号间的延迟，该参数包括振膜和ASIC引起的失真。
方向性操控佳 应用范围广
全方向性麦克风的频率响应通常被视为一个完美的三维(3D)球形。直径最小的麦克风在高频时提供最佳的全方向性，因此MEMS麦克风是最佳的全方向性麦克风。倘若使用MEMS麦克风组建麦克风阵列，可按照理想的声学模式调整频率响应(图2)。此外，一对麦克风的讯号经过处理后，可调整频率响应在X轴上的位置(图3)。
图2 麦克风阵列
图3 麦克风应用示例
某些MEMS麦克风特别适合用于要求严格的远距离语音交互系统。其精巧的外观设计有助于研发人员将麦克风阵列嵌入自动化家庭的墙壁、书桌或具有语音功能的家电内。即便房间内有很多人并同时在播放音乐，优异的声学特性结合先进的讯号处理技术，也能让MEMS麦克风从几公尺外识别，并采集使用者的语音命令。
远距离语音交互功能不仅会大幅改变人机对话模式，还会为行动不便的老弱病残人士带来福音；除家庭应用外，远距离语音交互系统还可适用于机器人、远端呈现、监控和工业自动化等各种不同领域。
技术优势显著 MEMS麦克风看俏
目前有些厂商也推出塑胶封装的MEMS麦克风，这项突破性的专利技术很适合安装在排线印刷电路板(PCB)上，简化当前空间受限的消费性电子产品设计，并且准许设备厂商选择将拾音孔置于封装的顶部或底部，以确保产品设计尽可能纤薄，以缩短环境至麦克风的声音路径。
拾音孔置于顶部的麦克风是笔记型电脑和平板电脑的首选拾音器；而拾音孔置于底部的麦克风适用于大多数手机设计。
MEMS麦克风正进军新的应用领域，如声控游戏、汽车语音系统、工业和安全用声音感测器、医学遥测。其独一无二的结构、性能和尺寸，让无法想像的概念能够提早实现。 [!--empirenews.page--]
(本文作者任职于意法半导体)
微机电系统(MEMS)麦克风是一种具有驻极体电容麦克风(Electret Condenser Microphone, ECM)功能的声音感测晶片，被广泛用于手机、平板装置、笔记型电脑、智慧电视(Smart TV)、汽车语音辨识、游戏机和遥控器等现代电子装置中。
根据市调机构IHS iSuppli的资料显示，可靠的单晶片结构、优异的抗机械振动性能、精巧的尺寸及可选数位输出，使MEMS麦克风在消费性电子和手机市场于2010?2014年间年复合成长率(CAGR)达23%。
此外，MEMS麦克风阵列可大幅改善音质。举例来说，产业界已开发出尺寸精巧、灵敏度匹配优异、频率响应(Frequency Response)出色，且能够在麦克风阵列中实现杂讯降低和回音消除，以及波束成形(Beam Forming)功能的MEMS麦克风。其中，波束成形是一个切断声音与位置关系的音效处理技术。随着手机等行动装置在吵闹和不可控制环境中的使用频率不断地增加，杂讯降低和波束成形功能变得十分重要。
MEMS麦克风主要分为类比麦克风和数位麦克风两大类。类比麦克风是将声音讯号转化成相应电压输出；而数位麦克风是将声音转化成数位输出，其典型输出是脉冲密度调变(PDM)。
MEMS麦克风本质上是声能转换器(Acoustic Transducer)。转换原理是改变固定板(背板)和运动板(振膜)间的耦合电容；声音穿透声孔，推动振膜运动，调节两个传导板间的气隙，从而引起电容变化；而后室是声音共振器；通风孔则排出后室内的压缩空气，以便振膜恢复原状(图1)。
图1 MEMS麦克风结构
MEMS麦克风主要设计考量
MEMS麦克风主要参数包括灵敏度、方向性、讯噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)、动态范围和声学超载点、频率响应等，以下分项加以细说。
．灵敏度
灵敏度是麦克风输出电讯号与给定输入声压之比。基准声压是1Pa
或94dBSPL@1kHz，而典型灵敏度单位分成两部分，类比麦克风的灵敏度单位为mV/Pa或dBV，且dBV=20×Log(mV/Pa/1V/Pa)；数位麦克风的灵敏度单位则为%FS或dBFS，而dBFS=20×Log(%FS/1FS)。
．方向性
方向性表示与声音到达方向相关的灵敏度回应的变化。若MEMS麦克风是全方向性，这意味灵敏度在麦克风周围任意音源位置都不会变化。方向性也可以用在Cartesian轴上的灵敏度偏移与角度之比表示，也可以用空间灵敏度回应分布极座标图表示。
[@B]．讯噪比[@C] ．讯噪比
讯噪比是麦克风输出中给定基准讯号与残余杂讯之比，而基准讯号是当声压为1Pa@1kHz时，麦克风输出端的标准讯号。另外，杂讯讯号(残余杂讯)是静音时麦克风的输出电讯号，杂讯讯号通常包括MEMS单元的杂讯和特殊应用积体电路(ASIC)的杂讯。杂讯级通常是在消声环境中测量杂讯，然后用A加权方法修改所采集的杂讯。A加权滤波器与人耳频率响应相关。
．动态范围和声学超载点
所谓的动态范围，是MEMS麦克风在不失真条件下，侦测到的最大声音和最小声音之间的差值。麦克风在不失真条件下听到的最大讯号，叫做声学超载点(AOP)，例如意法半导体的类比MEMS麦克风AOP值与数位MEMS麦克风的AOP值相同，均为120dBSPL声压。此外，麦克风在不失真条件下听到的最小讯号，取决于讯噪比。换言之，最小讯号相当于残余杂讯，用dBSPL来表示。
．频率响应
若从量级角度来描述麦克风频率响应，即表示灵敏度在频带范围内的变化。该参数还可表示输出讯号与基准值0dB的偏差。频率响应测量所用基准，通常就是麦克风的灵敏度，如0dB=94dBSPL@1kHz。此外，麦克风频率响应通常表示因通风孔而导致频率响应低频降低，以及因Helmholtz效应而导致频率响应高频上升。除此之外，若从相位角度来描述麦克风频率响应，则表示麦克风引起的相位失真，换言之，频率响应表示推动麦克风振膜的声波与麦克风输出电讯号间的延迟，该参数包括振膜和ASIC引起的失真。
方向性操控佳 应用范围广
全方向性麦克风的频率响应通常被视为一个完美的三维(3D)球形。直径最小的麦克风在高频时提供最佳的全方向性，因此MEMS麦克风是最佳的全方向性麦克风。倘若使用MEMS麦克风组建麦克风阵列，可按照理想的声学模式调整频率响应(图2)。此外，一对麦克风的讯号经过处理后，可调整频率响应在X轴上的位置(图3)。
图2 麦克风阵列
图3 麦克风应用示例
某些MEMS麦克风特别适合用于要求严格的远距离语音交互系统。其精巧的外观设计有助于研发人员将麦克风阵列嵌入自动化家庭的墙壁、书桌或具有语音功能的家电内。即便房间内有很多人并同时在播放音乐，优异的声学特性结合先进的讯号处理技术，也能让MEMS麦克风从几公尺外识别，并采集使用者的语音命令。
远距离语音交互功能不仅会大幅改变人机对话模式，还会为行动不便的老弱病残人士带来福音；除家庭应用外，远距离语音交互系统还可适用于机器人、远端呈现、监控和工业自动化等各种不同领域。
技术优势显著 MEMS麦克风看俏
目前有些厂商也推出塑胶封装的MEMS麦克风，这项突破性的专利技术很适合安装在排线印刷电路板(PCB)上，简化当前空间受限的消费性电子产品设计，并且准许设备厂商选择将拾音孔置于封装的顶部或底部，以确保产品设计尽可能纤薄，以缩短环境至麦克风的声音路径。
拾音孔置于顶部的麦克风是笔记型电脑和平板电脑的首选拾音器；而拾音孔置于底部的麦克风适用于大多数手机设计。
MEMS麦克风正进军新的应用领域，如声控游戏、汽车语音系统、工业和安全用声音感测器、医学遥测。其独一无二的结构、性能和尺寸，让无法想像的概念能够提早实现。 [!--empirenews.page--]
(本文作者任职于意法半导体)
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