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高信噪比麥克風(fēng)正在將筆記本電腦變成全方位通信中心

發(fā)布時間:2023-06-09 來源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】大量員工繼續(xù)在家辦公或以混合模式辦公。盡管一些組織很大程度上恢復(fù)了“正?!?,但許多人已經(jīng)習(xí)慣了在線會議。沒有了辦公室里的面對面會議,高效的溝通依賴于良好的工具,例如視頻會議軟件、計算機(jī)硬件等。


二十年前,很少有筆記本電腦內(nèi)置麥克風(fēng)。但現(xiàn)在,市面上幾乎每臺筆記本電腦都配置了網(wǎng)絡(luò)攝像頭和一個或多個麥克風(fēng)——當(dāng)與會者并非都在同一個房間時,這就是同事們的基本協(xié)作工具。


我們將在本文探討筆記本電腦從文字處理工具到錄音室級通信設(shè)備的轉(zhuǎn)型及其背后的技術(shù)。


麥克風(fēng)和網(wǎng)絡(luò)攝像頭變得無處不在


將麥克風(fēng)集成到筆記本電腦中,標(biāo)志著這些機(jī)器從簡單的文字處理器和數(shù)字運算設(shè)備變成了通信平臺。


隨著越來越多的人放棄臺式電腦,選擇筆記本電腦,顯然,消費者并不想依賴于外設(shè)。為了迎合市場,廠商開始將外設(shè)集成到筆記本電腦中,以減少使用外設(shè)執(zhí)行特定任務(wù)的需求。筆記本電腦沒有外部USB集線器,而是內(nèi)置USB端口;沒有WiFi加密狗,而是集成了無線網(wǎng)卡;沒有鼠標(biāo),而是采用多點觸控板。


隨著高速互聯(lián)網(wǎng)和視頻通話的普及,廠商開始將網(wǎng)絡(luò)攝像頭和麥克風(fēng)集成到筆記本電腦的屏幕邊框中,以滿足在線通信的需求。例如:蘋果公司于2006年1月首次推出了采用內(nèi)置iSight攝像頭和麥克風(fēng)的初代15英寸MacBook Pro1。


到了2000年代末,大多數(shù)以性能為導(dǎo)向的筆記本電腦型號都配備了類似的硬件。2010年代末,幾乎所有筆記本電腦(包括最經(jīng)濟(jì)實惠的型號)都配備了網(wǎng)絡(luò)攝像頭和麥克風(fēng)。


高信噪比麥克風(fēng)將筆記本電腦變成完整的通信設(shè)備


筆記本電腦外設(shè)的下一波升級即將到來:采用MEMS技術(shù)的高信噪比麥克風(fēng)。這一技術(shù)的推動預(yù)示著我們在使用筆記本電腦時的思維方式將發(fā)生改變。


新冠疫情及其他因素已將我們從辦公室辦公轉(zhuǎn)移到了居家辦公,而下一代麥克風(fēng)將能讓我們站起來,四處走動;讓多人對著同一個麥克風(fēng)說話,同時擁有高品質(zhì)聲音。


SNR


SNR并非一項技術(shù),而是評估麥克風(fēng)質(zhì)量的一種指標(biāo),代表信噪比。在語音通話場景中,SNR衡量了通話中同事(或其他呼叫者)的聲音與麥克風(fēng)傳輸?shù)脑胍糁g的比率。噪聲有多個來源,其中包括環(huán)境噪聲、電磁干擾和麥克風(fēng)的機(jī)械振動。


MEMS麥克風(fēng)


MEMS麥克風(fēng)的核心優(yōu)勢之一是,它們可以利用硅晶圓大批量生產(chǎn)。這意味著,制造過程與微芯片制造相似(但不完全相同)。這種方法可確保較小的器件偏差,意味著生產(chǎn)流程非??煽?。


與傳統(tǒng)電容式麥克風(fēng)不同,MEMS麥克風(fēng)主要使用電容傳感技術(shù)將空氣運動轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。MEMS傳感元件與低噪ASIC相結(jié)合。由于采用了微處理技術(shù),MEMS麥克風(fēng)可以非常小,因此,適合10 mm2以下的封裝。


案例研究:將筆記本電腦變成通信設(shè)備


在最近的一項實驗中,科技公司英飛凌展示了高信噪比XENSIV? MEMS麥克風(fēng)在通信中的優(yōu)勢。如圖1所示,該團(tuán)隊設(shè)計了一個場景,使用了一個人工嘴,以及一臺面對該人工嘴的筆記本電腦,以接收聲音信號,二者距離可變。該實驗是英飛凌在中國的一家系統(tǒng)合作伙伴實驗室完成的。


實驗假設(shè)MEMS麥克風(fēng)可以在3-5米之間的較大距離處,提供良好的效果。然后,測試了4種不同的情況:一臺帶有傳統(tǒng)麥克風(fēng)的筆記本電腦和一臺帶有高SNR的MEMS麥克風(fēng)的筆記本電腦,以及在這兩種情況下提供VoIP服務(wù)的語音信號處理和不提供VoIP服務(wù)的語音信號處理。


將麥克風(fēng)捕捉的回放語音與原始文件進(jìn)行比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),高SNR MEMS麥克風(fēng)在這兩種情況下都比傳統(tǒng)筆記本電腦麥克風(fēng)的表現(xiàn)更好。而真正的測試是看人們對音質(zhì)的感知是否也更好。為此,他們比較了兩個麥克風(fēng)的平均意見得分(MOS)。如圖2所示,英飛凌的麥克風(fēng)在1-3米的近距離范圍內(nèi)實現(xiàn)了20%的音質(zhì)提升,在3-5米的會議場景中實現(xiàn)了35%的音質(zhì)提升!


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圖1:英飛凌合作伙伴實驗室的測試設(shè)置[6]


通過這個測試,我們可以看到,未來將筆記本電腦作為通信設(shè)備將獲得更加自然的錄音室級別的體驗。


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圖2:XENSIV? MEMS 麥克風(fēng)的MOS得分更高

(圖源:英飛凌)


MEMS麥克風(fēng)的未來


MEMS 麥克風(fēng)憑借其小巧、數(shù)字化和高品質(zhì)等特點,使我們在不同的對話和設(shè)備之間無縫切換,甚至無需坐在辦公桌前使用傳統(tǒng)的固定麥克風(fēng)。試想一下,當(dāng)你在與某人通電話時可以從一個房間走到另一個房間。每個設(shè)備都配備高SNR MEMS麥克風(fēng),將確保更優(yōu)質(zhì)的聲音拾取,這使得即便有環(huán)境噪聲、你與接收器之間的距離不斷變化,算法也能更好地工作。


由于能夠提供錄音室級別質(zhì)量的聲音拾取,MEMS麥克風(fēng)甚至可以實現(xiàn)類似播客的音頻質(zhì)量,而無需外部麥克風(fēng)等設(shè)備。


我們的工作和娛樂的通信方式正在發(fā)生變化——基于語音的交流方式越來越多,例如:電話、語音消息、播客和Clubhouse等社交App。


除了筆記本電腦,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還有很多麥克風(fēng)應(yīng)用。由語音控制的語音助手已經(jīng)非常常見,語音用戶界面也有望應(yīng)用于許多其他智能家居設(shè)備。它們不僅是技術(shù)創(chuàng)新,還代表著我們工作和生活方式的轉(zhuǎn)變。


選購英飛凌麥克風(fēng)


英飛凌是少數(shù)能夠兌現(xiàn)高SNR MEMS麥克風(fēng)承諾的麥克風(fēng)制造商之一。他們既生產(chǎn)MEMS 和 ASIC 裸片,也生產(chǎn)集成了兩者的封裝麥克風(fēng)。他們面向筆記本電腦及其他設(shè)備設(shè)計了XENSIV?系列MEMS麥克風(fēng),旨在提高通話質(zhì)量3。


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圖3:XENSIV? MEMS麥克風(fēng)的照片(圖源:英飛凌)


XENSIV?系列有幾個型號現(xiàn)已上市,還有幾個新型號即將上市。


選購XENSIV麥克風(fēng)時,你必須先確定自己的應(yīng)用需要什么接口。英飛凌提供帶 PDM(脈沖密度調(diào)制)接口的數(shù)字麥克風(fēng)和帶差分和單端接口的模擬麥克風(fēng),涵蓋了市面上所有最常用的接口。


接口的選擇主要取決于系統(tǒng)SoC的前端。數(shù)字PDM型號消耗980 μA——盡管低功耗520 μA型號(IM69D128S)已經(jīng)量產(chǎn)。模擬差分接口型號在170 μA時功耗更低。IM68A130僅消耗110 μA。


僅憑這些要求就可以將英飛凌XENSIV目錄縮小到幾個選項。從這里開始,就可以根據(jù)你的應(yīng)用選擇靈敏度、SNR和聲學(xué)過載點(AOP)適當(dāng)平衡的產(chǎn)品。


XENSIV目錄中的大多數(shù)型號都采用密封雙膜(SDM) MEMS技術(shù),防護(hù)等級達(dá)IP57,提供了優(yōu)質(zhì)的防水和防塵保護(hù)功能,可幫助你在下一個產(chǎn)品中設(shè)計這種麥克風(fēng)。


參考文獻(xiàn)


1. Apple. 15-inch MacBook Pro Developer Note. Developer Connection [Internet]. 2008 Oct 10. Available from: https://web.archive.org/web/20081010192847/http://developer.apple.com/documentation/HardwareDrivers/Conceptual/MacBookPro_0601/Articles/MacBookPro_0601.html


2. Mike Levine. The shape of things to come: Different types of microphones and when to use them. Popular Science [Internet]. 2022 Mar 6. Available from: https://www.popsci.com/reviews/types-of-microphones/


3. Infineon. MEMS microphones for consumer. Infineon [Internet]. Available from: https://www.infineon.com/cms/en/product/sensor/mems-microphones/mems-microphones-for-consumer/


4. mynewmicrophone.com. What Is A Good Signal-To-Noise Ratio For A Microphone? [Internet]. Available from: https://mynewmicrophone.com/what-is-a-good-signal-to-noise-ratio-for-a-microphone/


5. mynewmicrophone.com. What Is A MEMS Microphone? (Micro-Electro-Mechanical Systems). [Internet]. Available from: https://mynewmicrophone.com/what-is-a-mems-micro-electro-mechanical-systems-microphone/


6. EE times.com. How Excellent MEMS Microphones Turn Laptops into Communication Systems. [Internet]. Available from: https://www.eetimes.com/how-excellent-mems-microphones-turn-laptops-into-communication-systems/



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