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了“正?！?，但許多人已經(jīng)習慣了在線(xiàn)會(huì )議。沒(méi)有了辦公室里的面對面會(huì )議，高效的溝通依賴(lài)于良好的工具，例如視頻會(huì )議軟件、計算機硬件等。

二十年前，很少有筆記本電腦內置麥克風(fēng)。但現在，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(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)——當與會(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通信設備的轉型及其背后的技術(shù)。

麥克風(fēng)和網(wǎng)絡(luò )攝像頭變得無(wú)處不在

將麥克風(fēng)集成到筆記本電腦中，標志著(zhù)這些機器從簡(jiǎn)單的文字處理器和數字運算設備變成了通信平臺。

隨著(zhù)越來(lái)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(lài)于外設。為了迎合市場(chǎng)，廠(chǎng)商開(kāi)始將外設集成到筆記本電腦中，以減少使用外設執行特定任務(wù)的需求。筆記本電腦沒(méi)有外部USB集線(xiàn)器，而是內置USB端口；沒(méi)有WiFi加密狗，而是集成了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡；沒(méi)有鼠標，而是采用多點(diǎn)觸控板。

隨著(zhù)高速互聯(lián)網(wǎng)和視頻通話(huà)的普及，廠(chǎng)商開(kāi)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(mǎn)足在線(xiàn)通信的需求。例如：蘋(píng)果公司于2006年1月首次推出了采用內置iSight攝像頭和麥克風(fēng)的初代15英寸MacBook Pro1。

到了2000年代末，大多數以性能為導向的筆記本電腦型號都配備了類(lèi)似的硬件。2010年代末，幾乎所有筆記本電腦（包括最經(jīng)濟實(shí)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備

筆記本電腦外設的下一波升級即將到來(lái)：采用MEMS技術(shù)的高信噪比麥克風(fēng)。這一技術(shù)的推動(dòng)預示著(zhù)我們在使用筆記本電腦時(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移到了居家辦公，而下一代麥克風(fēng)將能讓我們站起來(lái)，四處走動(dòng)；讓多人對著(zhù)同一個(gè)麥克風(fēng)說(shuō)話(huà)，同時(shí)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，代表信噪比。在語(yǔ)音通話(huà)場(chǎng)景中，SNR衡量了通話(huà)中同事（或其他呼叫者）的聲音與麥克風(fēng)傳輸的噪音之間的比率。噪聲有多個(gè)來(lái)源，其中包括環(huán)境噪聲、電磁干擾和麥克風(fēng)的機械振動(dòng)。

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(zhù)，制造過(guò)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(zhù)生產(chǎn)流程非?？煽?。

與傳統電容式麥克風(fēng)不同，MEMS麥克風(fēng)主要使用電容傳感技術(shù)將空氣運動(dòng)轉化為數字信號。MEMS傳感元件與低噪ASIC相結合。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備

在最近的一項實(shí)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，該團隊設計了一個(gè)場(chǎng)景，使用了一個(gè)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(shí)驗是英飛凌在中國的一家系統合作伙伴實(shí)驗室完成的。

實(shí)驗假設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(yǔ)音信號處理和不提供VoIP服務(wù)的語(yǔ)音信號處理。

將麥克風(fēng)捕捉的回放語(yǔ)音與原始文件進(jìn)行比較，結果發(fā)現，高SNR MEMS麥克風(fēng)在這兩種情況下都比傳統筆記本電腦麥克風(fēng)的表現更好。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(gè)麥克風(fēng)的平均意見(jiàn)得分（MOS）。如圖2所示，英飛凌的麥克風(fēng)在1-3米的近距離范圍內實(shí)現了20%的音質(zhì)提升，在3-5米的會(huì )議場(chǎng)景中實(shí)現了35%的音質(zhì)提升！

圖1：英飛凌合作伙伴實(shí)驗室的測試設置[6]

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

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(lái)

MEMS 麥克風(fēng)憑借其小巧、數字化和高品質(zhì)等特點(diǎn)，使我們在不同的對話(huà)和設備之間無(wú)縫切換，甚至無(wú)需坐在辦公桌前使用傳統的固定麥克風(fēng)。試想一下，當你在與某人通電話(huà)時(shí)可以從一個(gè)房間走到另一個(gè)房間。每個(gè)設備都配備高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(shí)現類(lèi)似播客的音頻質(zhì)量，而無(wú)需外部麥克風(fēng)等設備。

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

除了筆記本電腦，物聯(lián)網(wǎng)設備還有很多麥克風(fēng)應用。由語(yǔ)音控制的語(yǔ)音助手已經(jīng)非常常見(jiàn)，語(yǔ)音用戶(hù)界面也有望應用于許多其他智能家居設備。它們不僅是技術(shù)創(chuàng )新，還代表著(zhù)我們工作和生活方式的轉變。

選購英飛凌麥克風(fēng)

英飛凌是少數能夠兌現高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備設計了XENSIV?系列MEMS麥克風(fēng)，旨在提高通話(huà)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)型號現已上市，還有幾個(gè)新型號即將上市。

選購XENSIV麥克風(fēng)時(shí)，你必須先確定自己的應用需要什么接口。英飛凌提供帶 PDM（脈沖密度調制）接口的數字麥克風(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SoC的前端。數字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(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。從這里開(kāi)始，就可以根據你的應用選擇靈敏度、SNR和聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)（AOP）適當平衡的產(chǎn)品。

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

參考文獻

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/