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全新电容式 MEMS设计大幅提升音讯拾取品质
 

【作者: Marcel Knecht】2020年03月17日 星期二

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采用英飞凌独特密封双膜技术的最新一代微机电系统(MEMS)麦克风,为高阶应用定义全新基准,为各种消费性装置提供全新的音讯体验。


就理论而言,它非常简单:麦克风将声压波转换为电讯号。实际上,麦克风提供不同等级的效能,并有若干叁数是决定专属功能和应用之效能的关键。当今尖端装置的潜力可能会因为提供的音讯原始资料品质不良而受到严重限制。


近年来,以MEMS技术为基础的麦克风已广泛用於各种应用。缩小尺寸和声学特性的提升,使我们的应用能透过智慧型手机视讯和FaceTime分享资讯和体验(图一)。



图一 : 透过FaceTime分享资讯和体验
图一 : 透过FaceTime分享资讯和体验

这类麦克风可用来让智慧型手表拨打语音电话、与数位助理沟通、命令智慧音箱播放喜爱歌曲,或透过语音功能控制智慧家庭设备。此外,在长途飞行或听音乐时,MEMS麦克风可提供主动式降噪功能。


以虚拟实境创造真正的沉浸式体验

想像一下,戴上虚拟实境头戴式显示器,发现自己身处太平洋上一个阳光明媚的岛屿。您在美丽的海滩上欣赏风景,在棕榈树丛中漫步并聆听海浪声。五颜六色的鹦鹉在您的头上大声呜叫。时至今日,已有可创造上述360。视讯体验所需的硬体,而且日渐普及(图二)。然而,轻易创造附带360。音讯的能力却相当落後。



图二 : 若要使虚拟实境提供真正身临其境的体验,高传真音讯拾音器是关键。
图二 : 若要使虚拟实境提供真正身临其境的体验,高传真音讯拾音器是关键。

波兰录音技术开发商Zylia采用英飞凌领先同级产品的69-dB SNR数位XENSIV MEMS麦克风,推出全球首个可携式录音工作室。三阶Ambisonics录音机Zylia ZM-1麦克风阵列可撷取虚拟和增强实境(VR/AR)的沉浸式3D音讯(图三)。



图三 : 内含19个英飞凌XENSIV MEMS麦克风的三阶Ambisonics录音机
图三 : 内含19个英飞凌XENSIV MEMS麦克风的三阶Ambisonics录音机

藉由使用多个装置,甚至可实现六自由度录音。为了让虚拟实境提供真正身临其境的体验,英飞凌MEMS麦克风的高传真音讯拾取,结合Zylia先进的数位讯号处理演算法和麦克风阵列技术是关键所在。若要不遗漏任何音讯细节,麦克风必须具备接近录音室麦克风的品质。MEMS麦克风不仅可提供此种效能,还能进一步使360。录音装置小型化。


放大或减弱四周的声音

目前有几款耳机专为实现最隹360。音讯聆听而设计。透过VR/AR头戴式显示器,使用者可将其环境转换为互动式视听音景,并可撷取、触摸及塑造声音。藉由在耳机中整合优质麦克风,可减弱或放大四周的声音。主动式降噪功能可确保使用者只听到自己喜欢的节拍,不会听到飞机的噪音,以享受舒适的睡眠。


现已开发出通透聆听模式,可让使用者选择透过优质麦克风撷取多少的外部环境声音,从而结合强化的音讯体验。耳机藉由复制具有极隹真实感的空间效果以补足AR体验,协助使用者精确感知和定位虚拟声音。藉由混合适当水准的外部声学环境与特定虚拟音讯世界,可选择创造真正身历其境的社交体验。



图四 : 当今的视讯会议系统是完全整合的单元,包括编解码器、显示器、摄影机麦克风及扬声器。
图四 : 当今的视讯会议系统是完全整合的单元,包括编解码器、显示器、摄影机麦克风及扬声器。

这些耳机可隔绝令人分心的外部噪音,使用者可不受干扰地专注聆听感兴趣的音讯内容。结合主动式降噪与主动式语音强化,意味着即使在吵杂的环境中也能听到对话中的每个单字。


未来的通讯系统

先进音讯功能可缩短与朋友和同事之间的感知距离。世界各地的团队都开始使用先进的视讯会议系统以提升通讯品质。为提高此类装置的效能,优质MEMS麦克风与先进音讯处理的整合程度持续提高,例如盲讯号源分离或波束成形(图四)。当今的视讯会议系统是完全整合的单元,包括编解码器、显示器、摄影机麦克风及扬声器。


对企业有用的东西也可能很快地改变人们的社交生活。例如,Facebook利用这些技术来增强朋友和家人之间的沟通。将来,这些装置还能追加虚拟和增强的音讯和视讯功能。新一代MEMS麦克风将成为智慧型手机等更小尺寸装置拥有先进通讯功能的关键。


以智慧型手机享受强大的音讯和视讯体验

过去需要庞大摄影机才能完成的作业,现在使用手掌大小的设备即可拍摄。智慧型手机录影功能使每个人都成为了自制影片导演,让我们有机会不仅与家人和朋友分享我们的体验,还能透过社交媒体与数百万观众分享。


虽然智慧型手机录影功能已显着进步,并提供慢动作或缩时摄影等功能,但录音功能尚未发展到相同水准。即使是最精密的智慧型手机,还是只能录制单声道音讯,只有少数产品支援立体声。难怪智慧型手机发出的声音很差,平坦而且没有吸引力,无法匹配其优异的视觉效果。


但情况正在改变:优质MEMS麦克风和先进音讯处理技术将智慧型手机录音功能引领至全新境界。特殊的录音选项可让智慧型手机使用者将其对焦方向的声音放大。音讯变焦功能可让使用者选择记录想要听到的内容,并抑制其他声音。


新一代语音使用者介面

语音指令以及与数位语音助理对话变得越来越流行。不幸的是,使用者还是经常必须以不自然的声音发出指令,甚至从远处大声喊叫。语音识别公司正在为新一代语音使用者介面改善其处理器和演算法。


新版本的Alexa已可识别使用者低声说话,并低声回答,避免在晚上打扰沉睡中的家人。不久之後,这个使用者介面将能使用语音命令关闭不同房间的灯光或电视。


优质MEMS麦克风和顶尖音讯处理,是使语音控制装置备真正符合日常使用环境的关键因素。因此,英飞凌及其语音使用者介面生态系统合作夥伴Aaware、CEVA、Creoir、SoundAI、Sugr和XMOS利用自家专业技术,提供创新的叁考平台和立即可用的新一代语音使用者介面解决方案(图五)。



图五 : 英飞凌及其语音使用者介面生态系统合作夥伴 Creoir、XMOS、Sugr、CEVA、SoundAI 和 Aaware (由左至右、由上至下),提供创新的叁考平台和立即可用的新一代语音使用者介面解决方案。
图五 : 英飞凌及其语音使用者介面生态系统合作夥伴 Creoir、XMOS、Sugr、CEVA、SoundAI 和 Aaware (由左至右、由上至下),提供创新的叁考平台和立即可用的新一代语音使用者介面解决方案。

基础技术

MEMS麦克风利用半导体制程进行量产。典型设计结合MEMS感测器和ASIC。感测器会产生一个电讯号,并用来放大类比麦克风讯号,或是放大由 ADC处理ASIC中的数位麦克风讯号。将音讯转换为电讯号的MEMS麦克风基本上是DC偏压电容器,其中由音讯压力引起的膜(或隔膜)的移动会改变一或多个电容器极板的电压。


隔膜和背板的运作类似於平行板电容器。当隔膜因进入的声压而振动时,隔膜和背板之间的间隙及电容会发生变化。MEMS麦克风撷取这些变化做为电讯号。处理大音量压力水准的主要挑战是膜的大幅度机械运动,当膜移动到极端时将导致失真。第二个挑战是设计ASIC以处理MEMS元件产生的大讯号。由於音讯处理演算法采用线性讯号,任何高於1%的失真都会导致先进音讯处理所倚赖的音讯品质显着降低。


方法之一是采用MEMS感测器元件,将移动的膜放置在两个电容器极板(双背板)之间。如此一来,便能产生全差分(相较於单端) 输出,它具有多个优点。双背板MEMS麦克风由於其对称结构而大幅减少失真。透过移动夹住电容器极板的两个膜(双膜)以实现相同的效果。


新一代优质MEMS麦克风:密封双膜

相较於单背板的MEMS麦克风,引进双背板技术可显着提升线性度规格。下一个演进阶段是具有密封双膜的电容式MEMS麦克风(图六)。电容区域的密封可实现几??无杂讯的音讯撷取。SNR从70 dB进一步增加到 75 dB。



图六 : 英飞凌全新密封双膜(SDM)技术
图六 : 英飞凌全新密封双膜(SDM)技术

2018年的第一批原型产品已透过4.0×3.0×1.2 mm封装实现75 dB的SNR。采用全新密封双膜设计的优质 MEMS 麦克风,适用於先进录音、主动式降噪、通讯及语音使用者介面。英飞凌将於2020年和2021年推出进一步缩小密封的双膜麦克风,以因应空间受限的装置,因此无论身在何处皆可聆听。


(本文作者Marcel Knecht任职於英飞凌科技)


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