英飞凌高性能MEMS麦克风为消费类设备带来录音棚级别的音频性能

2748970 · 发表于 2021-12-9 07:23:00

英飞凌高性能MEMS麦克风为消费类设备带来录音棚级别的音频性能

流行趋势表明，当前市面上的MEMS麦克风完全可满足虚拟会议的需要。不过，要想使用户获得更趋近于面对面的真实体验，还需要在产品性能和质量方面做出更多改变，尤其是音频质量。据麦姆斯咨询报道，为了更好地研究MEMS麦克风自身性能及其对音频质量的影响，英飞凌（Infineon）开展了一系列实验和测试。

当前，消费类设备对MEMS麦克风的需求显著增加，不仅办公会议和居家环境，人们还希望在嘈杂的环境中进行高质量通话，比如在大街上、人群中，或者开放式办公室中。人们所期待的主动降噪（ANC）、语音控制和通透模式等功能，需要更先进的MEMS麦克风来实现。就视频会议而言，用户希望尽量体验到接近面对面的真实效果。这首先取决于完美的音频质量，最好是在不增加额外设备（如耳机）的情况下就能实现。

高质量的音频应用系统需要良好的软硬件相结合。例如通过降噪、去混响、波束成形和到达方向检测等算法，可在各种条件下进行音频录制和高保真传输。不过最终的音频质量很大程度上取决于MEMS麦克风的质量，简单而言：“糟糕的输入，只能有糟糕的输出。”

高端的麦克风其实很早就有了，但大部分仅限在录音棚中使用。这些麦克风通常体积较大且价格昂贵，而用于消费类设备的麦克风必须体积小巧、可批量生产，且制造公差严格——这是利用MEMS技术可以实现的。直到现在，麦克风设计人员还必须在尺寸和性能之间进行权衡。

MEMS麦克风性能决定通信系统的音频质量

麦克风性能分析

如何对麦克风的性能进行定性描述呢？首先是信噪比（SNR），它代表麦克风固有的自噪声与标准参考信号之间的比例。麦克风的所有元素（MEMS、ASIC、封装和声音端口）都会产生自噪声。

例如，在捕捉较远距离的声音或说话时，信噪比就很关键。在两倍距离处，声级减半，输入信号强度也会降低。此外，声道、房间条件和系统设计会进一步导致信号损耗。因此需要使用信噪比更高的麦克风来捕捉语音命令，甚至远距离录音，以达到更好的效果。

总谐波失真（THD）是指输入信号本身不存在的谐波成分。总谐波失真达到10%时的声压级被定义为声学过载点（AOP），此时，输出信号中会有较多伪信号/剪切噪声。因此，声学过载点表示麦克风所能承受的最大声压级，否则麦克风将严重失真。

第一代智能手机使用的是驻极体电容式麦克风，信噪比约为60dB，直径约为10mm。随后，尺寸更小的MEMS麦克风开始普遍应用。2018年，英飞凌推出一款MEMS麦克风：XENSIV™ IM69D130，具有69dB的高信噪比，为音频领域开创了一个新的性能基准。

利用笔记本电脑作为会议系统

与智能手机一样，会议系统或智能音箱也使用MEMS麦克风来获取语音信号。不过，这些应用对MEMS麦克风的要求更高。这类麦克风必须尽可能降低环境中的自噪声——以使得用户获得面对面交谈的真实体验。通过MEMS麦克风阵列的互相匹配，波束成形算法的性能得以提升，这样即使在极度嘈杂的环境中，高声学过载点也可以提供不失真的信号输入。

2020年，新冠疫情的大流行使得笔记本电脑越来越多地被用于会议系统。然而，这些标准笔记本电脑的内置麦克风在音质和体验上都不如预期。用户不想整天戴着耳机，也不想一直在笔记本电脑跟前，他们更希望可以在谈话时四处走动，且对方仍可以听到他们讲话。

音质是由多个因素共同决定的。例如上面文章内容所述，麦克风结合各种软件算法也可能会对音频质量产生影响。为此，英飞凌的研究团队开展了相关测试，致力于探究麦克风究竟能发挥多大作用。

研究团队采用POLQA（感知客观听力质量评估）测试装置进行研究。通过扩音器（“人工嘴”）播放真实语音，由被测设备（DUT）笔记本电脑中的麦克风接收。DUT处理接收记录并将其传输到参考电脑，再将接收到的数据与源数据进行比较。

POLQA测试装置：将“人工嘴”（A）与笔记本电脑的麦克风（B）放置于同一高度，麦克风位于笔记本电脑屏幕前框顶部，靠近摄像头模块。笔记本电脑位于距离“人工嘴”1m处固定位置（C）。1m以上的距离是根据平方反比定律模拟的。笔记本电脑通过基于IP的语音通信（VoIP）（D）传输至消音室外的另一台笔记本电脑（E）。外部的笔记本电脑（E）同时也作为利用有线通道（F）向“人工嘴”发送信号的发射装置。

POLQA测试详细流程图

为了客观地评估录音的质量，英飞凌研究团队采用POLQA标准进行了分析。将笔记本电脑内置的标准麦克风（SNR小于65dB）和英飞凌的高信噪比MEMS麦克风XENSIV IM69D120（SNR为69dB）的平均意见评分（MOS）进行了对比，两款麦克风灵敏度均为-26dBFS。同时，对比了两款麦克风所采集的音频数据，两组数据均通过标准通信VoIP进行了处理。

高信噪比的麦克风语音通信质量更佳

通过对比笔记本电脑内置的标准麦克风与英飞凌高信噪比MEMS麦克风IM69D120的MOS分值，可以清楚看到，高信噪比的麦克风提供的语音通信性能明显高于笔记本电脑的内置麦克风。在正常或安静环境中，高信噪比的麦克风可以将语音质量由“一般”提高到“良好”水平，或者从“良好”提高到“优秀”水平。

相较于笔记本电脑内置的标准麦克风，高信噪比的麦克风MOS分值更高

英飞凌研究团队还针对以下三种场景进行了测试，每种场景下，高信噪比的麦克风都表现出了更优越的性能。在近距离场景中，扬声器与设备距离小于1m时，高信噪比的麦克风可以带来更高的通话质量，既不需要使用耳机，也不会出现“声音听起来很远”的效果。

当扬声器与设备距离在1到3m之间时，高信噪比的麦克风可以将用户从办公桌上“解放”出来。此场景下，整体语音质量提高了15%以上。通话时，用户可以站起来走动，且笔记本电脑也可以更灵活地摆放在桌面上。

通过使用高信噪比的麦克风，笔记本电脑还可用作远距离会议设备，目前电脑内置麦克风在远距离条件下无法获取高质量的语音。当扬声器与设备距离5m时，使用高信噪比的麦克风能够将语音质量提高30%以上。这意味着，笔记本电脑将可用于更大的会议室，并能为用户提供更大的活动范围。

很明显，麦克风的质量对优质的语音传输而言至关重要。那么，如何才能实现性能更好的MEMS麦克风？这就需要对MEMS麦克风的组成部分进一步了解。

MEMS麦克风的组成部分

电容式MEMS麦克风主要由三个部分组成：第一个是传感元件，即微机电系统（MEMS）芯片，通过随声波运动的薄膜与固定背板之间的电容变化产生电信号。第二个是专用集成电路（ASIC）芯片，包含用于薄膜的电荷泵、放大器，以及提供低电源噪声和校准逻辑的低压差线性稳压器（LDO）。第三个是带有声孔的封装结构，MEMS芯片和ASIC芯片集成与此。封装可以有效保护麦克风内部的元件，屏蔽电磁干扰（EMI），并形成声学容积。

由于MEMS麦克风的三个组成部分都对其性能有很大影响，因此每种应用场景都需要选择相应的最佳组合。英飞凌自行独立开发并生产所有组成部分，可针对不同应用提供最佳的组合方案。

MEMS芯片、ASIC芯片、封装结构都会对麦克风自噪声产生影响

英飞凌不断利用其经验和技术，向市场推出更好的MEMS麦克风，其最新的产品组合是XENSIV IM73A135和IM69D127，它们采用了英飞凌的密封双膜（SDM）专利技术，具备出色的声学过载点（分别为135dBSPL和127dBSPL）和信噪比（分别为73dB和69dB）。这两款MEMS麦克风非常适用于具备音频关键功能（如主动降噪和通透模式）的耳机和通信设备。IM69D127尺寸仅为3.6mm x 2.5mm x 1mm，特别适合TWS耳机等尺寸受限的应用。

结论

最新的MEMS麦克风技术为消费类设备带来了录音棚级别的音频性能。英飞凌通过实验证明，使用性能更好的MEMS麦克风，可以显著提高笔记本电脑等设备的音频质量。该公司新推出的MEMS麦克风：XENSIV IM73A135和IM69D127，可将终端设备的音频质量提升到更高的水平。

目前，英飞凌还在继续开发新的数字和模拟MEMS麦克风，将在麦克风小型化和高信噪比的道路上，不断实现新的突破。

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