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设计师指南：为语音控制应用挑选正确的MEMS麦克风

文章：Richard Quinnell，主编

兴趣在电子产品的语音控制中越来越多，并且良好的设计必须从良好的麦克风开始

理查德·昆内尔主编

几十年来，研究人员
一直试图为计算机提供理解人类演讲的能力，它是
最后准备好了。随着个人语音助手的出现
苹果的Siri，亚马逊的Echo和谷歌Home，电子系统的语音控制
正在成为必备功能。从右边的麦克风开始
在这种设计中实现最佳性能的关键。万博投注网址

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选择的技术
声控装置是微机电系统(MEMS)的传声器。
对许多人来说，这些麦克风基本上已经取代了旧的驻极体电容麦克风
的原因。首先，MEMS麦克风很小——小到2.5 x 1.6 x 0.9
然而，更重要的是，他们可以提供稳定的性能
随着时间的推移漂移，可以具有更好的相位匹配来允许准确
波束成形。

MEMS麦克风的工作原理是
电容。硅的微细加工产生一个带有
柔性板作为一个墙壁，压力波（声音）可以移动该板。这
更换板和腔室的其余部分之间的电容会产生
代表声音的电信号。两种类型的MEMS麦克风
存在。模拟麦克风，就像它们更大的对应物一样，只是提供
传感器信号——可能经过条件处理或过滤，但本质上没有改变。模拟
如要使用的话，麦克风需要使用外部ADC
机器语音识别。数字麦克风包括ADC和其他数字
机载元件将传感器信号转换成数字数据流，
通常pulse-density-modulated。

无花果。
1: MEMS麦克风本质上是通过微加工制成的可变电容
在声学室中的可移动硅板。（来源：STMicroelectronics）

首先是MEMS麦克风技术
在移动设备和笔记本电脑中采用，这些应用是
仍然驾驶市场。大多数设备都有多个麦克风
靠近底部的地方为电话语音拾取和相机相邻
镜头视频拾音器。然而，这些麦克风是用来
为人类听力捕捉声音，使设计人员具有相当大的自由
在应用数据压缩和其他滤波算法。机器
然而，听力，音频处理的需求是不同的。

在评估MEMS之前
用于语音控制的麦克风，开发人员首先需要决定系统的方式
要使用。遥控装置一种用电池供电的手持设备，如遥控装置
实例，可能总是在扬声器的嘴附近举行。设计五月
因此只需要一个麦克风和声学参数，例如
信噪比（SNR）可能不像电源那样大
消耗。但是在诸如亚马逊回声的设备中，必须可靠地是可靠的
在嘈杂的环境中理解几米外传来的声音，这是关键
参数将是SNL(它可靠地决定了最软的声音
被感测的）和声学过载点（AOP），这是最响亮的声音
传感器可以在不饱和的情况下处理压力级别(SPL)。

第二个前期考虑
是在哪里和如何安装麦克风。MEMS麦克风有两种
方向。有顶部端口，声音入口孔指向
从安装面，和底部端口。与底部端口，PCB到
安装的麦克风必须有一个对准光圈的通孔
为了让声音进入。虽然这看起来更复杂
方法，底部端口麦克风目前主导市场。移动设备
设计师一直在柔性电路上安装麦克风
连接到设备的外壳，并在这些设计中，底部端口设计万博投注网址
极大地简化了组装。

图2:底部端口麦克风
其声孔在其PCB安装垫的同一侧。

此外，在考虑安装时，供应商警告说，工业设计的声学性能需要注意。
即使是最好的麦克风，如果外壳的声音，也会带来不好的性能
孔径和外壳的谐振室是不合适的。根据
应用，可能还需要成为垫圈或其他屏障预防
灰尘或水进入麦克风的声音孔径。

幸运的是，MEMS麦克风
供应商可以提供帮助。例如，英飞凌(Infineon)等供应商就与声学合作
专家提供客户可以杠杆的参考设计。万博投注网址其他，
像STMicroelectronics一样，提供声学仿真服务以帮助验证
客户设计基于客户的万博投注网址3D图纸。

有了这些基本的考虑
除此之外，设计师还可以评估性能特征
单个麦克风做最后的选择。系统的关键参数
可用MEMS麦克风的代表选择列于a中
电子表格，可由注册的EP阅读器下载。其中的一些
规格包括：

端口灵敏度 - 输出信号幅度
给定端口处的参考94-DB -SPL声学信号。
这有助于表示麦克风将拾取的最柔软的声音。
SNR - 之间的差异（在DB）之间
麦克风的噪声层和由94-dB、1-kHz声波产生的信号。
动态范围-声音强度的传播
麦克风可以在没有失真的情况下可靠地捕获的级别。这是
本质上是麦克风噪声底板之间的差异（在DB）及其
AOP。
频率范围 - 音频范围
麦克风可以在不损失灵敏度的情况下做出反应。

图3:点击本文底部的“下载指南”按钮下载本文
MEMS麦克风选择指南。

一些供应商也表示
他们的麦克风提出的特殊功能，开发人员可以考虑。
更有趣的是一种低功耗模式，允许麦克风
操作在一个较不敏感，但始终打开的状态。在这种状态下操作是允许的
节约电力的设计，同时保持活跃，以检测“唤醒”
比如“Alexa”。一旦检测到唤醒词，系统就可以
切换到全感性（和全功率）操作。这种模式可以是
对电池供电的设计特别有价值，因为它有助于延伸万博投注网址
电池寿命。

MEMS麦克风只是
不过这是声控系统设计的第一个要素。万博投注网址他们肯定经常这样
然后用信号处理组合来自多个麦克风的信号
用于降噪。降噪技术包括波束成形（多个
需要麦克风），它集中了系统的声学响应
以及“闯入”操作，这种操作会抵消设备本身发出的声音，这样扬声器就不需要大声喊话了
被听到。

本文只划伤了
当然，MEMS麦克风操作和评估的表面。幸运的是，
网上有许多供应商教程和其他指导方针供进一步研究。
这些包括: