作者：CML Microcircuits無線語(yǔ)音和數(shù)據(jù)產(chǎn)品經(jīng)理David Brooke

引言

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)已在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，可幫助實(shí)現(xiàn)各種微型、低功耗傳感器，這些傳感器也正在改變我們與設(shè)備進(jìn)行交互的方式。得益于這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，并伴隨數(shù)字視聽通信設(shè)備變得越來越普及和越來越可靠，人們用在敲擊鍵盤，移動(dòng)定點(diǎn)設(shè)備或操作開關(guān)上的時(shí)間也大幅減少。

在物聯(lián)網(wǎng)中的MEMS傳感器中，以MEMS麥克風(fēng)最為突出，它可為基于語(yǔ)音的應(yīng)用提供更廣泛的可能性，能夠?qū)崿F(xiàn)入侵者警報(bào)、智能揚(yáng)聲器、車內(nèi)控制系統(tǒng)等設(shè)計(jì)。隨著物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域成本和上市時(shí)間的壓力不斷增大，現(xiàn)成可用的高質(zhì)量數(shù)字技術(shù)對(duì)基于語(yǔ)音的設(shè)備開發(fā)至關(guān)重要。但是，由于市場(chǎng)最近關(guān)注的重點(diǎn)放在多媒體技術(shù)，因此語(yǔ)音技術(shù)已被忽略，導(dǎo)致缺少適用于MEMS麥克風(fēng)的接口器件。

在本文中，我們將看到，隨著開發(fā)廠商努力尋求利用MEMS麥克風(fēng)技術(shù)帶來的巨大機(jī)遇，MEMS麥克風(fēng)接口器件的短缺情況正在發(fā)生改變。

MEMS技術(shù)

MEMS這個(gè)術(shù)語(yǔ)也涵蓋微制造工藝，涉及在微觀尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)械部件的移動(dòng)。通過將電氣和機(jī)械組件集成到單個(gè)芯片，MEMS技術(shù)可用于生產(chǎn)微型機(jī)電傳感器，其尺寸從幾個(gè)微米到毫米級(jí)。

與傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器相比，MEMS傳感器很容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，從而具有更好的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效果，其緊湊的尺寸、大幅降低的功耗和更高的靈敏度使MEMS傳感器得到更廣泛采用，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。如今，在我們所有人都隨身攜帶的智能手機(jī)、智能手表和健身追蹤器中都采用了各種MEMS器件。例如，智能手機(jī)中的MEMS陀螺儀重量不到1毫克，其體積不到一粒沙子大小。

靜電傳導(dǎo)（Electrostatic transduction）涉及可變的電容，由于可以對(duì)微加工的硅進(jìn)行摻雜以提供導(dǎo)電性，并且在制造過程中不需要其他材料，傳統(tǒng)上這種技術(shù)是MEMS傳感器中最受歡迎的類型。圖1所示為一個(gè)數(shù)字MEMS麥克風(fēng)的功能框圖。傳感器元件包含一個(gè)可移動(dòng)的膜片和一個(gè)固定的背板（backplate），它們之間的電容隨著聲波的氣壓導(dǎo)致膜片彎曲度變化。板載放大器將該電容轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后由ADC轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。

圖1：MEMS麥克風(fēng)功能框圖。

(來源: https://www.eenewsanalog.com/content/analog-and-digital-mems-microphone-design-considerations/page/0/1)

盡管MEMS麥克風(fēng)可提供模擬和數(shù)字輸出，但常見的更直接，更方便的是采用數(shù)字接口來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)解決方案，從而導(dǎo)致數(shù)字MEMS麥克風(fēng)在市場(chǎng)上更受歡迎。尤其是需要在惡劣或嘈雜電磁環(huán)境中工作的系統(tǒng)。數(shù)字MEMS麥克風(fēng)采用脈沖密度調(diào)制（PDM）方式，受噪聲和串?dāng)_影響相對(duì)較小，能夠產(chǎn)生高度過采樣的單位（single-bit）數(shù)據(jù)流作為輸出。PDM還具有其它優(yōu)勢(shì)，可以使兩個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)共享同一公共時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線，每個(gè)麥克風(fēng)都配置為在時(shí)鐘信號(hào)的不同時(shí)沿產(chǎn)生其輸出。

數(shù)字MEMS麥克風(fēng)具有更高信噪比（SNR）、更低功耗和更高靈敏度，以及出色的溫度特性，能夠以超小型封裝提供，并與表面安裝組裝工藝完全兼容。

隨著越來越多的現(xiàn)代智能手機(jī)和其他智能設(shè)備能夠處理語(yǔ)言和語(yǔ)音指令，對(duì)高質(zhì)量，緊湊型聲音技術(shù)（包括麥克風(fēng)）的需求呈現(xiàn)出強(qiáng)勁增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。除智能手機(jī)之外，MEMS麥克風(fēng)也用于耳機(jī)、筆記本電腦和助聽器、以及越來越多的IoT設(shè)備等設(shè)計(jì)，如可穿戴設(shè)備、遠(yuǎn)程控制設(shè)備以及冰箱、空調(diào)和服務(wù)機(jī)器人等家用電器。

麥克風(fēng)本身在智能設(shè)備中的價(jià)值有限，最終其輸出信號(hào)必須經(jīng)過進(jìn)一步處理才能被系統(tǒng)控制器分析，因此具體應(yīng)用的開發(fā)人員必須選擇合適的接口器件。

下一代語(yǔ)音編解碼器

與麥克風(fēng)的接口長(zhǎng)期以來一直由語(yǔ)音編解碼器實(shí)現(xiàn)，但傳統(tǒng)的編解碼器被設(shè)計(jì)為與駐極體麥克風(fēng)兼容，而不兼容現(xiàn)代數(shù)字MEMS麥克風(fēng)。之前的語(yǔ)音編解碼器缺少與MEMS麥克風(fēng)端接所需的許多功能，其中包括抽取濾波（decimation filtering），其作用是將PDM轉(zhuǎn)換為PCM格式以便進(jìn)一步處理。此外，在包括揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)陣列在內(nèi)的許多應(yīng)用中，具有更高效率的D類放大器已成為任何MEMS麥克風(fēng)接口的重要組成部分。

在智能電話和平板電腦市場(chǎng)興起的推動(dòng)下，最近業(yè)界關(guān)注的編解碼器開發(fā)優(yōu)先考慮多媒體應(yīng)用，這些器件并非是專門針對(duì)語(yǔ)音應(yīng)用要求而開發(fā)的解決方案。因而，這種情況導(dǎo)致出現(xiàn)了最新語(yǔ)音編解碼器市場(chǎng)的空白，可能使應(yīng)用開發(fā)人員必須在現(xiàn)有器件基礎(chǔ)上添加額外的電路。

幸運(yùn)的是，一些元器件制造商已經(jīng)意識(shí)到市場(chǎng)對(duì)下一代語(yǔ)音編解碼器的需求，并把更多的功能集成到小型，低成本器件中，且具有與電池供電設(shè)備適應(yīng)的高能效水平。

新一代語(yǔ)音編解碼器的一個(gè)典型示例是CML Microcircuits的CMX655D，如圖2所示。CMX655D是一款超低功耗語(yǔ)音編解碼器，它支持最新的MEMS麥克風(fēng)技術(shù)，專為始終在線的數(shù)字語(yǔ)音應(yīng)用而設(shè)計(jì)。CMX655D具有超低功耗，在立體聲錄音模式下通常只消耗500μA的電流，而在低功耗聆聽模式下所消耗的電流則更少，因此非常適合電池供電設(shè)備。該芯片支持普通電話（300Hz～3.4kHz）和高清語(yǔ)音（50Hz～7kHz）的常用帶寬，以及50Hz～20kHz的全音頻模式。

此外，通過與兩個(gè)麥克風(fēng)同時(shí)連接，并在整個(gè)設(shè)備上保持相同的兩條路徑相位匹配，該器件還能夠?qū)崿F(xiàn)外部噪聲消除。CMX655D封裝還包括一個(gè)集成式高效D類揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器，可提供高達(dá)1W的輸出。包括通用DSP在內(nèi)的其他同類器件通常不提供該項(xiàng)功能，因此需要額外的外部IC。

圖2：CMX655D語(yǔ)音編解碼器簡(jiǎn)化功能框圖。

通過選擇諸如CM655D之類的語(yǔ)音編解碼器，開發(fā)人員能夠簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，并可將功能齊全的MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)輕松集成到特定應(yīng)用。盡管器件的選擇對(duì)于降低開發(fā)成本和縮短上市時(shí)間至關(guān)重要，但這并不是選擇解決方案時(shí)要考慮的唯一因素。在嘗試集成任何器件時(shí)，開發(fā)環(huán)境是非常關(guān)鍵的因素，尤其在競(jìng)爭(zhēng)激烈的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，器件的選擇在很大程度上需要考慮支持工具套件的功能、易用性和經(jīng)濟(jì)性。

開源開發(fā)工具包

許多制造商都在提供定制的硬件和軟件開發(fā)套件來支持其設(shè)備，但是，由于縮短開發(fā)時(shí)間和降低成本在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域極其重要，因此開發(fā)人員越來越多地選擇開源方案。在這種情況下，諸如Raspberry Pi（RPi）之類的系統(tǒng)已經(jīng)不再局限于開發(fā)愛好者和教育領(lǐng)域，進(jìn)而成為專業(yè)工程師的實(shí)用工具。

2014年發(fā)布的RPi Model B+引入了頂部硬件連接（HAT）接口，從而使第三方硬件更容易直接嵌入RPi基礎(chǔ)架構(gòu)（見圖3所示）。這項(xiàng)強(qiáng)大的功能，再加上RPi基于Linux的操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)、測(cè)試和原型制作，從而幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更快地進(jìn)入概念驗(yàn)證階段。最重要的是，與使用定制開發(fā)板和專有軟件的方案相比，這種方法可大大降低成本，并且為將來的進(jìn)一步開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖3：CML Microcircuits的EV6550DHAT可添加板。

隨著CMX655D的發(fā)布，CML Microcircuits已選擇遵循這種開源技術(shù)途徑。通過為HAT格式的CMX655D編解碼器解決方案創(chuàng)建EV6550DHAT評(píng)估板，CML Microcircuits能夠使Raspberry Pi社區(qū)可以輕松使用該新器件。此外，由于認(rèn)識(shí)到開發(fā)人員不可能花很多時(shí)間去獲取所需的知識(shí)，之后再將音頻功能成功集成到具體應(yīng)用，CML Microcircuits還為CMX655D-RPi配置提供了Linux驅(qū)動(dòng)程序。這種低級(jí)別驅(qū)動(dòng)程序可使開發(fā)環(huán)境適合于任何音頻應(yīng)用，并遵循標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)Linux聲音體系架構(gòu)（ALSA）接口。ALSA體系架構(gòu)具有非常靈活的界面，能夠提供一個(gè)抽象級(jí)別，從而極大地簡(jiǎn)化涉及聲音的應(yīng)用開發(fā)。

結(jié)論

MEMS技術(shù)正在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可以針對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的低成本傳感器。數(shù)字MEMS麥克風(fēng)是MEMS技術(shù)的一個(gè)典型示例，采用數(shù)字MEMS麥克風(fēng)技術(shù)能夠完成全新的人機(jī)交互，從而可以在智能手機(jī)、智能揚(yáng)聲器、可穿戴設(shè)備等許多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量音頻應(yīng)用。

新一代編解碼器支持MEMS麥克風(fēng)的集成，并將所需的接口功能集成到具有小外形尺寸的低成本、低功耗器件中。通過使這些器件支持RPi和ALSA等開源開發(fā)工具軟件框架，CML Microcircuits等創(chuàng)新制造商正在幫助客戶降低開發(fā)成本，加快產(chǎn)品上市速度。

David Brooke, Wireless Voice and Data Product Manager

David has nearly 40 years of experience working in the electronics industry. As CML’s Wireless/Wireline Voice and Data Product Manager, specialising in baseband solutions, he works across all CML departments managing the products under his care. When he gets some time to himself, he can often be found cooking at home with a glass of red wine in hand