雙背板MEMS設計加持　麥克風元件革新聲控體驗

2017-12-04

Andreas Kopetz

Yole Développement預測，在這個偏好以語音作為使用者介面的年代，微機電系統(MEMS)麥克風(Microphone)從2013至2019年的出貨量將成長為三倍(從24億組成長到66億組)。

但是，隨著MEMS麥克風的需求不斷增加，遠場語音偵測應用的需求條件也持續攀升，包括日益普遍的波束成形(Beamforming)應用等。

MEMS麥克風設計　規格首重訊噪比

在MEMS麥克風的設計中，最重要的規格就是訊噪比(SNR)。訊噪比對於麥克風的遠場和語音偵測應用，其重要性經常受到誤解，以為這項規格能反映麥克風在吵雜環境下運作的能力。

然而，麥克風的訊噪比僅能測量訊號與內部雜訊(Noise)來源的比值，因此其實更適合作為評定麥克風在安靜空間內(如客廳或臥室)表現的指標。

訊噪比是一項好用的指標，標示麥克風在安靜環境下可偵測出的最低音量，單位為dB，與之比較的參考訊號為94dBSPL(選擇此值是因為其等同於1帕(Pa)的壓力變化，與音訊使用狀況沒有關聯)。就目前常見的高效能麥克風來說，訊噪比範圍多半介於64dB至68dB。

64dB訊噪比的麥克風無法從內部雜訊中分離出低於30dBSPL(94dBSPL-64dB)的聲音。實務上，即使最好的語音偵測演算法，也須要取得訊號的資訊元件，才能從雜訊基準提高幾個dB，而實際需求則取決於套用在訊號上的演算法及處理方式。

假設語音偵測演算法要求麥克風的雜訊基準與輸入訊號位準，必須保持10dB的差距，那麼一個64dB訊噪比的麥克風將能夠偵測到最低40dBPSL的聲音。這等同於相距5∼6公尺(m)的一般對話音量(咖啡廳內對話的音量)，或相距2∼3公尺的輕聲對話(辦公室內對話的音量)。

就使用者而言，這意味著能夠在房間內任何位置與裝置流暢互動，而不用面對裝置或提高音量。一個理想的麥克風訊噪比若提高6dB，其語音偵測距離可拉長一倍，或只需要一半的音量(表1)。

表1 不同聲音的聲壓與密度概觀

在吵雜環境下，麥克風最重要的參數就是聲學過載點(AOP)，簡單來說，此參數決定麥克風能夠偵測出的最高訊號位準，且不會「太過」失真，所謂「太過」是指10%的總諧波失真(THD)。

考量總諧波失真　決定聲學過載點

MEMS技術最近的發展，將麥克風的聲學過載點從120dBSPL不斷提升至130dBSPL，甚至更高，放到情境中的話，一支2012年的智慧型手機在錄下現場演唱會時，不太可能不破音，但現在的高階麥克風在搖滾演唱會的第一排，則能夠錄下高音質的聲音。

高位準的訊號可能伴隨著預期外的雜訊來源，尤其在戶外使用時，風聲是麥克風最常碰到的大問題。不同的風速與風向搭配麥克風的方向，風聲可能會超過120dBSPL。風聲包含明顯的低頻基音以及低位準的高頻音，在套用語音處理演算法或撥打高清晰度(HD)語音電話之前，這些音通常會先過濾掉，但過濾的條件是，其輸入訊號必須未達聲學過載點位準，一旦訊號的諧波失真過高，便無法進行過濾。

提高聲學過載點位準，表示在戶外有強風或吵雜的環境下，使用者的麥克風仍能偵測並錄下訊號，雖然也可能錄下許多背景噪音，但不會破音。換句話說，麥克風仍能夠套用語音偵測演算法，或者在高清晰度語音電話時進行過濾以改善能聽度，抑或是讓演唱會中錄下的歌曲依舊悅耳。重點是，雖然仍有一些背景噪音，但訊號的後製及復原變得容易許多，只要聲音沒有過多的諧波失真和破音即可。

提高動態範圍　擴大收音成效

訊噪比是一項麥克風在安靜環境下的效能指標，而聲學過載點則用來表示吵雜環境下的效能指標，綜合這兩項參數的則是麥克風的動態範圍(Dynamic Range, DR)，表示麥克風可感應的聲壓位準範圍。麥克風可設計成對低音量敏感，或設計成可耐受高聲壓位準，但若要設計出兼顧這兩種情況的產品，就變得非常困難。

現代的MEMS麥克風測到的動態範圍接近100dB，不只可在交響樂團演奏會中錄下如雷震耳的鼓聲和管樂器，也能同時收錄進聽眾的細語聲。

麥克風的動態範圍不一定會詳列在產品資料表內，但可輕易地從其他規格來判斷。如為數位麥克風，只要在訊噪比加入靈敏度參數就能得到此規格。如為類比麥克風，則必須先找出聲學過載點與94dBSPL參考位準之間的差距，再將此數值加入訊噪比。

雙背板設計加持　 MEMS麥克風看俏

MEMS麥克風通常包含軟性帶電薄膜和硬式電壓感測背板，薄膜和背板組成電容器，其數值會隨薄膜在空氣中的震動而變化。電容的變化會轉換成電壓變化，然後由類比麥克風特定應用積體電路(ASIC)加以放大並直接輸出，或透過數位麥克風ASIC內的類比數位轉換器(ADC)，轉換成數位輸出訊號。此運作方式類似立體聲電容式麥克風，只是規模小了許多。

圖1 雙背板MEMS設計可保持高聲學過載點

英飛凌(Infineon)的雙背板(Dual Back-Plate)技術是MEMS結構的專屬作法，使用兩塊背板，薄膜兩面各一塊(圖1)。此方法可測量全差動訊號(圖2)，加強訊號的回應與品質，提高訊噪比與聲學過載點位準，同時改善低於麥克風聲學過載點的總諧波失真，可保持在1%以下，盡可能地貼近最高甚至超過130dBSPL的聲學過載點位準，帶來出色的聽覺體驗(圖3)。