為語音控制應(yīng)用選擇合適的MEMS麥克風(fēng)

幾十年來，研究人員一直在努力讓計(jì)算機(jī)能夠理解人類語音，它終于為黃金時(shí)間做好了準(zhǔn)備。隨著 Apple 的 Siri、Amazon Echo 和 Google Home 等個(gè)人語音助手的出現(xiàn)，電子系統(tǒng)的語音控制現(xiàn)在已成為必備功能。從合適的麥克風(fēng)入手是在此類設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)最佳性能的關(guān)鍵。

語音控制設(shè)備的首選技術(shù)是微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 麥克風(fēng)。由于許多原因，它們基本上取代了舊的駐極體電容麥克風(fēng)。一方面，MEMS 麥克風(fēng)很小——只有 2.5 x 1.6 x 0.9 mm。然而，更重要的是，它們可以提供不會(huì)隨時(shí)間漂移的穩(wěn)定性能，并且可以具有更好的相位匹配以實(shí)現(xiàn)精確的波束成形。

MEMS 麥克風(fēng)通過電容工作。硅的微加工產(chǎn)生了一個(gè)以柔性板為一壁的聲學(xué)室，壓力波（聲音）可以移動(dòng)該板。板和腔室其余部分之間不斷變化的電容會(huì)產(chǎn)生代表聲音的電信號(hào)。存在兩種類型的 MEMS 麥克風(fēng)。模擬麥克風(fēng)與其較大的同類麥克風(fēng)一樣，只是提供傳感器信號(hào)——可能經(jīng)過調(diào)節(jié)或過濾，但基本上沒有改變。因此，如果要在機(jī)器語音識(shí)別中使用模擬麥克風(fēng)，則需要使用外部 ADC。數(shù)字麥克風(fēng)包括 ADC 和其他板載數(shù)字元件，用于將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，通常是脈沖密度調(diào)制的。

圖 1：MEMS 麥克風(fēng)本質(zhì)上是一個(gè)可變電容器，通過對(duì)聲學(xué)室中的可移動(dòng)硅板進(jìn)行微加工制成。（來源：意法半導(dǎo)體）

MEMS 麥克風(fēng)技術(shù)首先在移動(dòng)設(shè)備和筆記本電腦中得到采用，這些應(yīng)用仍在推動(dòng)市場發(fā)展。大多數(shù)設(shè)備都有多個(gè)麥克風(fēng)，它們位于靠近底部的位置，用于拾取電話聲音，靠近相機(jī)鏡頭，用于拾取視頻聲音。然而，這些麥克風(fēng)旨在捕捉聲音以供人類聆聽，這為設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用數(shù)據(jù)壓縮和其他過濾算法時(shí)提供了相當(dāng)大的自由度。然而，對(duì)于機(jī)器收聽，音頻處理需求是不同的。

在評(píng)估用于語音控制的 MEMS 麥克風(fēng)之前，開發(fā)人員首先需要決定如何使用該系統(tǒng)。例如，電池供電的手持設(shè)備（例如遙控器）可能總是放在說話者的嘴邊。因此，該設(shè)計(jì)可能只需要一個(gè)麥克風(fēng)，而信噪比 (SNR) 等聲學(xué)參數(shù)可能不像功耗那么重要。但是在像 Amazon Echo 這樣的設(shè)備中，它必須可靠地理解在嘈雜環(huán)境中從幾米外傳來的聲音，關(guān)鍵參數(shù)將是 SNL（它確定可靠地感知到的最柔和的聲音）和聲學(xué)過載點(diǎn) (AOP)，它是傳感器在不飽和的情況下可以處理的最大聲壓級(jí) (SPL)。

第二個(gè)前期考慮是麥克風(fēng)的安裝位置和方式。MEMS 麥克風(fēng)有兩個(gè)方向。有頂部端口，聲音入口孔指向遠(yuǎn)離安裝表面的方向，底部端口。對(duì)于底部端口，安裝麥克風(fēng)的 PCB 必須有一個(gè)與孔對(duì)齊的通孔，以便聲音進(jìn)入。雖然這似乎是一種更復(fù)雜的方法，但底部端口麥克風(fēng)目前主導(dǎo)著市場。移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員一直將麥克風(fēng)安裝在柔性電路上，然后將其連接到設(shè)備外殼上，在這些設(shè)計(jì)中，底部端口設(shè)計(jì)大大簡化了組裝。

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圖 2：底部端口麥克風(fēng)的聲學(xué)孔徑與其 PCB 安裝焊盤位于同一側(cè)。

此外，在考慮安裝時(shí)，供應(yīng)商警告說，工業(yè)設(shè)計(jì)的聲學(xué)特性需要注意。如果外殼的聲音孔徑和外殼的諧振腔不合適，即使是最好的麥克風(fēng)也會(huì)產(chǎn)生較差的性能。根據(jù)應(yīng)用的不同，可能還需要使用墊圈或其他屏障來防止灰塵或水進(jìn)入麥克風(fēng)的聲孔。

幸運(yùn)的是，MEMS 麥克風(fēng)供應(yīng)商可以提供幫助。例如，英飛凌等供應(yīng)商與聲學(xué)專家合作，提供客戶可以利用的參考設(shè)計(jì)。其他公司，如意法半導(dǎo)體，提供聲學(xué)仿真服務(wù)，以幫助根據(jù)客戶的 3D 圖紙驗(yàn)證客戶設(shè)計(jì)。

考慮到這些基本考慮因素，設(shè)計(jì)人員可以評(píng)估各個(gè)麥克風(fēng)的性能特征以做出最終選擇。電子表格中列出了可供選擇的具有代表性的 MEMS 麥克風(fēng)的關(guān)鍵參數(shù)，可供注冊(cè)的 EP 閱讀器下載。其中一些規(guī)格包括：?

端口靈敏度 — 給定端口處參考 94-dB -SPL 聲學(xué)信號(hào)的輸出信號(hào)幅度。這有助于指示麥克風(fēng)將拾取的最柔和的聲音。

SNR — 麥克風(fēng)的本底噪聲與 94-dB、1-kHz 聲波產(chǎn)生的信號(hào)之間的差異（以 dB 為單位）。

動(dòng)態(tài)范圍——麥克風(fēng)可以可靠地捕捉而不會(huì)失真的聲音強(qiáng)度級(jí)別的分布。它本質(zhì)上是麥克風(fēng)的本底噪聲與其 AOP 之間的差異（以 dB 為單位）。

頻率范圍——麥克風(fēng)在不損失靈敏度的情況下可以響應(yīng)的音頻頻率范圍。

圖 3：點(diǎn)擊本文底部的“下載指南”按鈕下載此 MEMS 麥克風(fēng)選擇指南。

一些供應(yīng)商還指出了開發(fā)人員可以考慮的麥克風(fēng)產(chǎn)品的特殊功能。其中一個(gè)更有趣的是低功耗模式，它允許麥克風(fēng)在不太敏感但始終開啟的狀態(tài)下運(yùn)行。在這種狀態(tài)下運(yùn)行允許設(shè)計(jì)在保持活動(dòng)狀態(tài)的同時(shí)節(jié)省電力，以便檢測(cè)“喚醒”字詞，例如“Alexa”。一旦檢測(cè)到喚醒字，系統(tǒng)就可以切換到全靈敏度（和全功率）操作。這種模式對(duì)于電池供電的設(shè)計(jì)特別有價(jià)值，因?yàn)樗兄谘娱L電池壽命。

然而，MEMS 麥克風(fēng)只是聲控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一個(gè)元素。它們之后通常必須進(jìn)行信號(hào)處理，將來自多個(gè)麥克風(fēng)的信號(hào)組合起來以降低噪音。降噪技術(shù)包括波束成形（需要多個(gè)麥克風(fēng)），它將系統(tǒng)的聲學(xué)響應(yīng)集中在揚(yáng)聲器的方向上，以及“插入”操作，它消除了設(shè)備本身產(chǎn)生的聲音，因此揚(yáng)聲器不需要大聲喊叫才能被聽到。

當(dāng)然，本文僅涉及 MEMS 麥克風(fēng)操作和評(píng)估的皮毛。幸運(yùn)的是，網(wǎng)上有許多供應(yīng)商教程和其他指南可供進(jìn)一步研究。這些包括：

MEMS 麥克風(fēng)規(guī)格簡介— Cirrus Logic

音頻波束成形— Infineon Technologies

MEMS 麥克風(fēng)教程— STMicroelectronics

您還可以通過以下文章鏈接了解一些語音信號(hào)處理選項(xiàng)及其開發(fā)套件。?

審核編輯：湯梓紅