数字麦克风原理与应用

数字数字数字数字麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年年年年 10 月号月号月号月号 www.transsound.com 数字麦克风数字麦克风数字麦克风数字麦克风原理原理原理原理与与与与应用应用应用应用 贺志坚 郑虎鸣 （东莞泉声电子有限公司， 广东 东莞 523297） 【【【【摘摘摘摘 要要要要】】】】本文主要介绍数字式麦克风的基本原理、结构及声学、电气性能。简要叙述 数字麦克风在产品使用中的基本和市场应用展望。 【【【【关键词关键词关键词关键词】】】】数字麦克风；数字信号；模拟信号；∑-Δ变换 【【【【中图分类号中图分类号中图分类号中图分类号】】】】TN643 【【【【文献标识码文献标识码文献标识码文献标识码】】】】 B Theory and Application of Digital Microphone HE Zhi-jian ZHENG Hu-ming (Transound Electronics Co., Ltd. Dongguan , Guangdong 523297 ) 【【【【Abstract】】】】This article introduces basic principles,structure and acoustic, electrical performance of digital microphone.Briefly describing the digital microphone requirement during the product using and the market application prospect. 【【【【Key words】】】】Digital microphone; Digital signal; Anallog signal；∑∑∑∑-ΔΔΔΔ transform 【【【【CLC】】】】TN643 【【【【Document code 】】】】 B 随着 IT 技术的日益发展，各类电子系统中数字电路所占比重越来越大，尤其在 PC 的多媒体音视频应用及已经登场的 3G手机应用领域，对音频信号的输入质量及抗外界各 种干扰的能力都提出了更高的要求，这些要求靠传统模拟麦克风本身声学性能的改进已 经难以奏效，而通过对麦克风阵列的音频数字信号进行算法的处理后则可以较理想的达 到消除回声、屏蔽噪声、增强波束指向性等所需效果。这一切的前提则是处理的音频信 号必须是经过 A/D 转换的数字信号形式，如上所述，数字麦克风的市场需求前景是毋庸 置疑的。 一一一一、、、、 数字麦克风原理数字麦克风原理数字麦克风原理数字麦克风原理 数字麦克风，顾名思义就是直接输出数字脉冲信号的麦克风电声器件。从应用角度 来划分，可以分为两类：一种为 USB 接口的麦克风，其电声换能器件仍为模拟音频输出 信号，经过 A/D 编码及 USB 接口芯片后转换为 PC格式的数字信号接口，此类麦克风多数 作为 PC 周边配套外设，如 USB 接口手持麦克风、USB 接口耳麦等，严格说来此类应称为 数字接口麦克风。另一类为真正意义上的数字麦克风，此类麦克风采用内置前置增益及 A/D 编码 IC 芯片，作为电声换能器件直接输出的便是数字脉冲信号，可以直接与相应的 编解码芯片（CODEC）接口传输数字信号，本文重点介绍此类数字麦克风原理及应用。 数字数字数字数字麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年年年年 10 月号月号月号月号 www.transsound.com 1111、、、、 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号 在信号这个大家族中，有两兄弟特别引人注目，就是“模拟”和“数字”。 什么是“模拟”？ “模拟”是“数字”的兄长。模拟电子信号是随时间连续变化的电磁波，利用电磁 波的描述参数（如幅度、频率或相位等）来表示要传输的数据，它的取值可以是无限多 个。模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以 及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像信号。 什么是“数字”？ 数字信号是一种离散信号，通过电压脉冲即电压的高与低两种形式表示要传输的数 据，它的取值是有限的。数字数据(Digital Data)则是模拟数据经量化后得到的离散的 值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。 数字麦克风便是将采集到的声压这一连续变化的模拟物理量，直接转换为特定编码 格式的数字脉冲信号输出，供 IT 应用设备进行加工处理。（见图 1、2） 图图图图 1 1 1 1 模拟模拟模拟模拟麦克风输出麦克风输出麦克风输出麦克风输出信号波形信号波形信号波形信号波形 图图图图 2 2 2 2 数字数字数字数字麦克风输出麦克风输出麦克风输出麦克风输出脉冲信号脉冲信号脉冲信号脉冲信号 2222、、、、 数字麦克风的编码格式数字麦克风的编码格式数字麦克风的编码格式数字麦克风的编码格式 目前国际上 IC厂商推向市场的内置式数字麦克风 IC芯片普遍采用∑-Δ模数转换编 码格式，此编码格式亦与相关接口应用设备采用的 DSP 及 CODEC 处理芯片的数字音频 输入格式相兼容。 ∑-Δ变换的原理 ∑-Δ变换采用过取样技术，将信号按时间分割，保持幅度恒定，具有高取样率、 噪声整形和比特字长短的特点。变换可以在低取样率、高分辨率的量化器或者高取样率、 低分辨率的量化器中进行，在数字音频中应用很广泛，如用于音频信号数字化的∑-Δ ADC及可将已经数字化处理后的音频信号还原为模拟声音信号的∑-Δ DAC。∑-Δ变换 时根据采用的具体结构称为 1比特或多比特变换，目前数字麦克风普遍使用的∑-Δ ADC 采用了 1 比特变换技术，克服了采用较多比特数时所带来的量化非线性误差、纠错困难 数字数字数字数字麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年年年年 10 月号月号月号月号 www.transsound.com 的缺点 【1】】】】 。 打个比方来说明如何用 1比特替代 16或更多比特：传统的阶梯变换器像 16个电灯泡， 连接到各自的开关上，每个灯泡又有不同的亮度状态，用各种组合方式可以得到 216（即 65536）种不同的亮度。然而，灯泡间的亮度差会引入误差，某种组合也并不总是能够产 生所要求的亮度。1比特变换技术采用完全不同的方法，不用那么多灯泡和开关，只用一 个灯泡和一个开关。房间亮度的变化可以通过简单的改变开、关灯泡的次数来得到。如 果灯泡开的次数增加，房间的亮度就会增加，明显的区别便是增加取样的频率。 ∑-∆ 变换是将信号按时间分割，保持信号幅度恒定。它用高电平或低电平的脉冲表示 信号，例如可以采用脉冲密度调制（PDM），如图 3所示恒定幅度的脉冲信号，不论电平 高或低都能够重建输出信号波形。 图图图图 3 脉冲密度调制脉冲密度调制脉冲密度调制脉冲密度调制（（（（PDM）））） 图图图图 3 ∑∑∑∑-ΔΔΔΔ变换变换变换变换取样取样取样取样时钟频率与音频带宽的时钟频率与音频带宽的时钟频率与音频带宽的时钟频率与音频带宽的对对对对应关系应关系应关系应关系 3333、、、、 数字麦克风数字麦克风数字麦克风数字麦克风原理与原理与原理与原理与结构结构结构结构 数字麦克风与传统麦克风的最大区别，在于如图 4所示用最新研制的 ADC 转换 IC 芯片取代了图 5 所示传统麦克风中的场效应管（FET），从而实现了数字信号的直接输 出。 数字数字数字数字麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年年年年 10 月号月号月号月号 www.transsound.com 图图图图 4 4 4 4 数字麦克风原理图数字麦克风原理图数字麦克风原理图数字麦克风原理图 图图图图 5555 传统传统传统传统 ECMECMECMECM 麦麦麦麦克风原理图克风原理图克风原理图克风原理图 通过图 7 的结构，读者可以看到，数字麦克风的核心器件是内置的∑-Δ ADC 模数 转换 IC 芯片，该芯片完全取代了传统的场效应管（FET）并实现了模拟信号到数字信号 的转换功能。∑-Δ ADC 芯片是一支六端引脚的微型器件，体积一般为 1.0x1.0x0.3 左 右大小，如此微小的体积，使其足可以装入直径为 4mm 的微型麦克风之中。 与传统麦克风的两只引脚结构不同，数字麦克风一般具有 4～5 只引脚，原理如图 6 所示，其功能分别为 Vdd：电源输入、GND：地线、CLK：时钟输入、DATA：数据输出、L/R： 左右声道输出信号选择。根据客户需求，也可将 L/R 选择端采取内部连接而形成 4 引脚 结构，也有的 IC芯片厂家同时供应不同型号的 L 或 R声道芯片供客户选用。 图图图图 6666 数字麦克风电数字麦克风电数字麦克风电数字麦克风电原理图原理图原理图原理图 图图图图 7777 数字麦克风结构数字麦克风结构数字麦克风结构数字麦克风结构 数字数字数字数字麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年年年年 10 月号月号月号月号 www.transsound.com 二二二二、、、、 TSDTSDTSDTSD－－－－6027602760276027／／／／6020602060206020／／／／4015401540154015 数字麦克风数字麦克风数字麦克风数字麦克风系列系列系列系列 东莞泉声电子有限公司根据国际市场的需求，近年来陆续开发出 TSD－6027／ 6020／4015 数字麦克风系列，已在一些国际知名品牌高档笔记本电脑型号中得到配 套应用。在麦克风阵列的应用中，数字麦克风更具用无可替代的优势，TSD－6020 数字麦克风组成的麦克风阵列模块已得到众多笔记本电脑厂商的确认，即将投入批量 生产。（麦克风阵列原理与应用今后拟专题介绍） TSD－－－－6027R A TSD－－－－6027L A TSD－－－－6027 A TSD－－－－6027BP TSD－－－－6020BP（（（（L/R）））） TSD－－－－6020 A（（（（L/R）））） TSD－－－－4015LA TSD－－－－4015LA（（（（SMD）））） 图图图图 8 泉声公司泉声公司泉声公司泉声公司 TSD－－－－6027／／／／6020／／／／4015数字麦克风系列外形图样数字麦克风系列外形图样数字麦克风系列外形图样数字麦克风系列外形图样 数字数字数字数字麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年年年年 10 月号月号月号月号 www.transsound.com 图图图图 9 数字麦克风数字麦克风数字麦克风数字麦克风性能与应用原理性能与应用原理性能与应用原理性能与应用原理图图图图 三三三三、、、、 数字麦克风的应用数字麦克风的应用数字麦克风的应用数字麦克风的应用 1、蜂窝手机具有一个通信处理器和一个应用处理器，每个处理器用于实现上述所有音 频功能。然而，这种集成所有可能的控制、数据接口、音频格式选择的状况导致了蜂窝 手机中数字音频高度分立的架构。为了帮助减轻架构上的障碍、提高效率，多个蜂窝手 机公司成立了移动行业处理器接口联盟( MIPI)以规划下一代手持设备的设计，该联盟将 为手持设备中的包括音频在内的各种不同功能制定接口。但是在MIPI推出统一标准 之前，未来蜂窝手机将呈现出如下的新型音频架构。 图图图图 10 未来蜂窝手机的新型音频架构未来蜂窝手机的新型音频架构未来蜂窝手机的新型音频架构未来蜂窝手机的新型音频架构 数字数字数字数字麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年年年年 10 月号月号月号月号 www.transsound.com 与模拟麦克风相比，数字麦克风可以提供更好的信噪比以及更好抗 RF和 EMI 干扰能 力。在数字麦克风或传统的驻极体电容麦克风之后，跟随一个模拟数字转换器电路，将 在给定的采样速率输出条件下直接向新总线提供音频采样。数字麦克风的数据可以更加 直接由蜂窝手机 CPU软件控制，以提供多种语音处理功能。另一路数字麦克风可以很容 易地附于总线中，以实现立体声录音，或作为麦克风阵列的一部分实现噪声抑制或定向 成形技术，以增强转换收听端的语音智能。 【2】 2、由于数字麦克风大部分应用于立体声或阵列模块的模式，所以在内置模数转换芯 片 ADC 中一般均设计有左右输出信号选择端 L/R。用户只须将数字麦克风 L/R 选择端分别 接 GND 与 Vdd 即可，见图 10。在一个完整时钟周期内，DATA-L与 DATA-R信号时序相差 半个时钟周期， 这样接口 CODEC只需在输入的数字流中靠脉冲信号的时序即可准确分选 出左、右数麦的输出信号，如图 11所示。 数字麦克风应用时大多处于两种输出状态，其一，采用单只麦克风应用方式输出时， 只需将 L/R 选择端接地即可，见图 12。其二，采取两只麦克风组成立体声或阵列组合应 用，两只麦克风以并联形式共享一组数据线输出，在这种条件下可由用户将两只麦克风 分别设为左置麦克风与右置麦克风输出即可，见图 13。 图图图图 11111111 L/ L/ L/ L/R Data R Data R Data R Data 信号信号信号信号连接连接连接连接要求要求要求要求及脉冲形式及脉冲形式及脉冲形式及脉冲形式 图图图图 11112222 Clock Clock Clock Clock 及及及及 L/R Data L/R Data L/R Data L/R Data 信号时序图信号时序图信号时序图信号时序图 数字数字数字数字麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年年年年 10 月号月号月号月号 www.transsound.com 图图图图 11113333 单只数麦应用连接原理图单只数麦应用连接原理图单只数麦应用连接原理图单只数麦应用连接原理图 图图图图 11114444 两只数麦立体声或阵列应用连接原理图两只数麦立体声或阵列应用连接原理图两只数麦立体声或阵列应用连接原理图两只数麦立体声或阵列应用连接原理图 数字脉冲信号输出强度要远大于传统模拟 ECM麦克风信号，这样在产品设计中可以不 必为防止电磁干扰而必须要求采用屏蔽线及连线长度的考虑而费心，相应还可以降低设 计成本。数字麦克风在没有时钟输入期间可以自动进入省电休眠状态，这一功能非常适 合于采用电池供电的便携式设备。 目前市场潜力巨大的笔记本电脑与手机市场将是数字麦克风的最大用户，因为数字麦 克风输出的是数字信号，除了数模转换电路之外，还涉及到软件、、硬件接口的匹 配，正在逐步完善的这些条件已经开启了实现数字麦克风应用的大门。笔记本电脑与手 机采用数字麦克风已是大势所趋，而且相关的软件、接口都已成熟，不存在技术难题。 基于上述认知，有远见的的生产厂商正在调整自己的发展战略,根据市场需要和自身发 展，制定前瞻性策略，在完善传统麦克风开发、生产基础上，进行数字麦克风产品(硅基 式、组装式)设计、生产论证，为未来数字麦克风的大规模生产、应用做好准备。 数字数字数字数字麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年年年年 10 月号月号月号月号 www.transsound.com 【参考文参考文参考文参考文献献献献】 [1] 杨行峻 迟惠生 语音信号数字处理 北京 电子工业出版社 1995. [2] 马大猷 沈 山豪 声学手册 北京 科学出版社 2004. 作者简介作者简介作者简介作者简介：：：： 贺志坚：男 高级工程师，北京大学毕业，主要研发方向为数字传声器与 MEMS 传 声器，现任东莞泉声电子有限公司总工程师 郑虎鸣：男 高级工程师，西安电子科技大学毕业，主要研发方向为新型驻极体传声 器及驻极材料应用，现任东莞泉声电子有限公司副总经理