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

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“正常”，但許多人已經(jīng)習(xí)慣了在線會(huì)議。沒有了辦公室里的面對(duì)面會(huì)議，高效的溝通依賴于良好的工具，例如視頻會(huì)議軟件、計(jì)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(tái)筆記本電腦都配置了網(wǎng)絡(luò)攝像頭和一個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)——當(dāng)與會(huì)者并非都在同一個(gè)房間時(shí)，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(jí)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(jiǎn)單的文字處理器和數(shù)字運(yùn)算設(shè)備變成了通信平臺(tái)。

隨著越來越多的人放棄臺(tái)式電腦，選擇筆記本電腦，顯然，消費(fèi)者并不想依賴于外設(shè)。為了迎合市場(chǎng)，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(diǎn)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(hào)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(shí)惠的型號(hào)）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(jí)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(dòng)預(yù)示著我們?cè)谑褂霉P記本電腦時(shí)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(dòng)；讓多人對(duì)著同一個(gè)麥克風(fēng)說話，同時(shí)擁有高品質(zhì)聲音。

SNR

SNR并非一項(xiàng)技術(shù)，而是評(píng)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(chǎng)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(gè)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(dòng)。

MEMS麥克風(fēng)

MEMS麥克風(fēng)的核心優(yōu)勢(shì)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)流程非常可靠。

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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。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(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(shì)。如圖1所示，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)場(chǎng)景，使用了一個(gè)人工嘴，以及一臺(tái)面對(duì)該人工嘴的筆記本電腦，以接收聲音信號(hào)，二者距離可變。該實(shí)驗(yàn)是英飛凌在中國的一家系統(tǒng)合作伙伴實(shí)驗(yàn)室完成的。

實(shí)驗(yàn)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(cè)試了4種不同的情況：一臺(tái)帶有傳統(tǒng)麥克風(fēng)的筆記本電腦和一臺(tái)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(hào)處理和不提供VoIP服務(wù)的語音信號(hào)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(cè)試是看人們對(duì)音質(zhì)的感知是否也更好。為此，他們比較了兩個(gè)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(shí)現(xiàn)了20%的音質(zhì)提升，在3-5米的會(huì)議場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)了35%的音質(zhì)提升！

圖1：英飛凌合作伙伴實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試設(shè)置[6]

通過這個(gè)測(cè)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(jí)別的體驗(yàn)。

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(diǎn)，使我們?cè)诓煌膶?duì)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(shí)可以從一個(gè)房間走到另一個(gè)房間。每個(gè)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(jí)別質(zhì)量的聲音拾取，MEMS麥克風(fēng)甚至可以實(shí)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(jì)了XENSIV?系列MEMS麥克風(fēng)，旨在提高通話質(zhì)量3。

圖3：XENSIV? MEMS麥克風(fēng)的照片（圖源：英飛凌）

XENSIV?系列有幾個(gè)型號(hào)現(xiàn)已上市，還有幾個(gè)新型號(hào)即將上市。

選購XENSIV麥克風(fēng)時(shí)，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(hào)消耗980 μA——盡管低功耗520 μA型號(hào)（IM69D128S）已經(jīng)量產(chǎn)。模擬差分接口型號(hào)在170 μA時(shí)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(gè)選項(xiàng)。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(diǎn)（AOP）適當(dāng)平衡的產(chǎn)品。

XENSIV目錄中的大多數(shù)型號(hào)都采用密封雙膜（SDM） MEMS技術(shù)，防護(hù)等級(jí)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(gè)產(chǎn)品中設(shè)計(jì)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/