抗干擾性能優勢耀眼　數位麥克風潮流勢不可當

這些要求靠傳統類比麥克風本身聲學性能的改進已經難以奏效，必須透過結合陣列式麥克風架構與音訊數位訊號演算法的處理後，才可以較理想地達到消除回聲、雜訊、增強波束指向性等效果。類比數位轉換是導入數位訊號處理技術的前提，因此數位麥克風的市場需求前景是毋庸置疑的。  

數位類比轉換器助力麥克風數位化發展  

數位麥克風，顧名思義就是直接輸出數位脈衝訊號的麥克風電聲元件。從應用角度來畫分，可以分為兩類：一種為USB介面的麥克風，其電聲元件的輸出格式仍為類比訊號，經過類比數位轉換(A/D Convert)及通用序列匯流排(USB)介面晶片後，轉換為個人電腦所能接受的數位訊號介面，此類麥克風多為個人電腦的周邊設備，如USB介面手持麥克風、USB介面耳機麥克風等，嚴格說來此類麥克風應稱為數位介面麥克風。另一類為真正的數位麥克風，則是指內建前置增益(Pre Amp)及A/D編碼晶片的麥克風電聲元件，其輸出訊號格式是數位脈衝訊號，可以直接與相應的編解碼晶片(CODEC)介面傳輸數位訊號，本文重點介紹此類數位麥克風原理及應用。  

事實上，所有真實世界的訊號都是類比訊號，例如溫度、壓力，以及目前在電話、無線電和電視廣播中的聲音和圖像訊號。類比電子訊號則是隨時間連續變化的電磁波，利用電磁波的描述參數(如振幅、頻率或相位等)來表示要傳輸的資料，其數值可以是無限多個。數位訊號則是一種離散訊號，透過電壓脈衝表示要傳輸的資料，其數值是有限的。數位資料則是類比資料經量化後得到的離散的值，例如在電腦中用二進位碼表示的字元、圖形、音訊與視頻資料。數位麥克風便是將採集到的聲壓這一連續變化的類比物理量，直接轉換為特定編碼格式的數位脈衝訊號輸出，供資訊設備進行加工處理。(見圖1、2)

圖1 類比麥克風輸出訊號波形

圖2 數位麥克風輸出脈衝訊號

1位元轉換架構優勢顯著  

目前市場上晶片供應商所提供的內建式數位麥克風晶片普遍採用類比數位轉換編碼格式，此編碼格式亦與相關介面應用設備採用的數位訊號處理器(DSP)及編解碼處理晶片的數位音訊輸入格式相相容。  

轉換採用過取樣技術，將訊號按時間分割，保持振幅恒定，具有高取樣率、雜訊整形和位元字長短的特點。轉換的工作可以在低取樣率、高解析度的量化器或者高取樣率、低解析度的量化器中進行，在數位音訊中應用很廣泛，如用於音訊訊號數位化的類比數位轉換器(ADC)及可將已經數位化處理後的音訊訊號還原為類比聲音訊號的數位類比轉換器(DAC)。根據其所採用的具體結構，轉換還可分為1位元或多位元轉換，目前數位麥克風普遍使用的ADC採用1位元轉換技術，克服了採用較多比特數時所帶來的量化非線性誤差、糾錯困難的缺點。  

以燈泡的比喻來說明1位元轉換與多位元轉換(在此以16位元為例)之間的差異，可方便讀者掌握其差異。傳統的轉換器像十六個電燈泡，連接到各自的開關上，每個燈泡又有不同的開關狀態，用各種組合方式可以得到2¹⁶=65,536種不同的結果。  

然而，不同燈泡間的亮度差會引入誤差，也因為誤差的緣故，即使亮燈的數目一樣，某種組合所產生的亮度跟其他組合相比，可能會稍亮或稍暗些；1位元轉換技術則是完全不同的概念，不用那麼多燈泡和開關，只用一個燈泡和一個開關。房間亮度的變化可以通過簡單的改變開、關燈泡的次數來得到。如果燈泡開的次數增加，房間的亮度就會增加。因此，1位元轉換跟多位元轉換最明顯的區別便是增加取樣的頻率。  

轉換是將訊號按時間分割，保持訊號振幅恒定。它用高電位或低電位的脈衝表示訊號，例如可以採用脈衝密度調變(PDM)，產生出如表1所示的恒定振幅脈衝訊號，不論電位高低都能夠重建輸出訊號波形。數位麥克風(圖3)與傳統麥克風(圖4)的最大區別，在於採用了ADC轉換IC晶片取代了傳統麥克風中的場效應電晶體(FET)，從而實現了數位訊號的直接輸出。

表1　脈衝密度調變(PDM)與取樣時脈頻率/音訊頻寬對應關係

圖3　數位麥克風原理圖

圖4　傳統ECM麥克風原理圖

由圖5可以看出，數位麥克風的核心元件是內建的類比數位轉換器，該晶片完全取代了傳統的場效應管(FET)，並實現類比訊號到數位訊號的轉換功能。 ADC晶片是一支六接腳的微型元件，外觀尺寸多為長寬1毫米、厚度0.3毫米左右，如此微小的體積使其足可以裝入直徑為4毫米的微型麥克風之中。

圖5　數位麥克風電原理圖

與傳統麥克風的兩支接腳結構不同，數位麥克風一般具有四至五支接腳(圖6)，其功能分別為電源輸入(VDD)、地線(GND)、參考時脈輸入(CLK)、資料輸出(DATA)、左右聲道輸出訊號選擇(L/R)。根據客戶需求，有些供應商提供將L/R選擇端設計成內部連接，而形成四接腳結構的方案，也有些晶片供應商同時供應不同型號的L或R聲道晶片供客戶選用。

圖6　數位麥克風結構

數位麥克風具備應用簡單特性  

一般來說，手機具有一個通訊處理器和一個應用處理器，這兩個處理器用於實現上述所有音訊功能。然而，這種整合了所有可能的控制、資料介面、音訊格式選擇的狀況，導致手機中數位音訊高度分立的架構。為了幫助減輕架構上的障礙、提高效率，多家手機大廠成立了行動處理器介面聯盟(MIPI)以規畫下一代手持設備的設計。該聯盟將為手持設備中的包括音訊在內的各種不同功能制定介面標準。但是在MIPI推出統一標準之前，手機將採用如圖7的音訊架構。

圖7　未來手機所採用的音訊架構

與類比麥克風相比，數位麥克風可以提供更好的訊噪比(SNR)以及更好抗射頻和電磁波干擾能力。在數位麥克風或傳統的駐極體電容(ECM)麥克風之後，加上一個類比數位轉換器電路，將在額定的取樣速率輸出條件下直接向新匯流排提供音訊取樣。數位麥克風的資料可以直接由手機中央處理器(CPU)透過軟體進行控制，以提供多種語音處理功能。另一路數位麥克風可以很容易地附加到匯流排中，以實現身歷聲錄音，或作為麥克風陣列的一部分實現雜訊抑制或波束定向成形技術，以增強轉換收聽端的通訊體驗。  

由於數位麥克風大部分應用於身歷聲或陣列模組的模式，所以在內置模數轉換晶片中一般均設計有左右輸出訊號選擇端。用戶只須將數位麥克風L/R選擇端分別接GND與VDD即可(表2)。

在一個完整時脈週期內，DATA-L與DATA-R訊號時序相差半個時脈週期，這樣介面編解碼器只須在輸入的數位流中靠脈衝訊號的時序即可準確分選出左、右數位麥克風的輸出訊號(圖8)。

圖8　時脈及左右聲道資料訊號時序圖

數位麥克風應用時大多處於兩種輸出狀態，若採用單支麥克風應用方式輸出時，只須將L/R選擇端接地即可(圖9)；若採取兩支麥克風組成身歷聲或陣列組合應用，兩支麥克風以並聯形式共用一組資料線輸出，在這種條件下可由用戶將兩支麥克風分別設為左置麥克風與右置麥克風輸出即可(圖10)。

圖9　單支數位麥克風應用連接原理圖

圖10　由兩支數位麥克風組成身歷聲或陣列應用連接原理圖

數位脈衝訊號輸出強度要遠大於傳統類比ECM麥克風訊號，因此在產品設計中可以不必為防止電磁干擾而必須要求採用遮罩線及連線長度的考慮而費心，而這些正好是設計工程師以往利用類比麥克風進行系統產品開發時最大的顧慮。因此，導入數位麥克風除了可以降低硬體成本外，也可節省研發人員寶貴的時間，可說是一舉數得。  

此外，值得一提的是，數位麥克風在沒有時脈輸入期間可以自動進入省電休眠狀態，系統設計工程師可以利用這項特性設計出更省電的音訊接收系統，這一功能非常適合於採用電池供電的可攜式設備。  

數位麥克風已成大勢所趨　類比方案全面退場指日可待  

市場潛力巨大的筆記型電腦與手機市場將是數位麥克風的最大用戶，因為數位麥克風輸出的是數位訊號，而數位類比轉換電路之外，軟體、協定、硬體介面的匹配等配套條件的日趨成熟，則進一步開啟了實現數位麥克風應用的大門。  

筆記型電腦與手機採用數位麥克風已是大勢所趨。 基於上述認知，有遠見的生產廠商正在調整自己的發展策略,根據市場需要和自身發展，制定前瞻性策略，在完善的傳統麥克風開發、生產基礎上，進行數位麥克風產品(矽基式、組裝式)設計、生產驗證，為未來數位麥克風的大規模生產、應用做好準備。  

(本文作者任職於泉聲科技)