迈进数字拾音时代——数字麦克风和阵列拾音技术的应用

 随着数字信号处理技术的发展，使用数字音频技术的电子产品越来越多。数字音频接口成为发展的潮流，采用脉冲密度调制（PDM）接口的ECM和MEMS数字麦克风也孕育而生。目前，ECM和MEMS数字麦克风已经成为便携式笔记本电脑拾音设备的主流。

数字ECM或MEMS麦克风和传统的ECM麦克风相比，有着不可取代的优势。首先，移动设备向小型化数字化发展，急需数字拾音器件和技术；第二，设备包含的功能单元越来越多，如笔记本电脑，集成了蓝牙和WiFi无线功能，麦克风距离这些干扰源很近，设备对抗扰要求越来越高；第三，三网合一的发展，需要上网，视频和语音通信可以同时进行，这在移动设备中通常会遇到环境噪声和回声的影响；第四，从提高生产效率角度，希望对麦克风采用SMT焊接。数字麦克风适合SMT焊接，可以解决系统各种射频干扰对语音通信产生的噪声，富迪科技的数字阵列麦克风拾音技术可以抑制和消除通话时的回声和环境噪声，数字接口方便同数字系统的连接。

模拟麦克风和数字麦克风

麦克风结构：ECM模拟麦克风通常是由振膜，背极板，结型场效应管(JFET)和屏蔽外壳组成。振膜是涂有金属的薄膜。背极板由驻极体材料做成，经过高压极化以后带有电荷，两者形成平板电容。当声音引起振膜振动，使两者距离产生变化，从而引起电压的变化，完成声电转换。利用结型场效应管用来阻抗变换和放大信号，有些高灵敏度麦克风采用运放来提高麦克风灵敏度（见图1a）。ECM数字麦克风通常是由振膜，背极板，数字麦克风芯片和屏蔽外壳组成，数字麦克风芯片主要由缓冲级，放大级，低通滤波器，抗模数转换组成。缓冲级完成阻抗变换，放大级放大信号，低通滤波滤除高频信号，防止模数转换时产生混叠，模数转换将放大的模拟信号转换成脉冲密度调制(PDM)信号，通常采用过采样的1位Δ-Σ模数转换（见图1b）。MEMS模拟麦克风主要由MEMS传感器，充电泵，缓冲放大器，屏蔽外壳组成。参照图1c, MEMS传感器由半导体工艺制成的振膜，背极板和支架构成，通过充电泵给背极板加上适当的极化偏压。缓冲放大器完成阻抗变换，放大信号。MEMS数字麦克风主要由MEMS传感器，充电泵，数字麦克风芯片和屏蔽外壳组成，参照图1d。为了提高麦克风抗干扰能力，麦克风内部电源和地之间都增加了小的滤波电容，通常是10pF和33pF并联。

图1a ECM模拟麦克风

图1b ECM数字麦克风

图1c MEMS模拟麦克风

图1d MEMS数字麦克风

麦克风偏置电路：通过手机中麦克风电路的典型应用，比较一下ECM模拟麦克风，MEMS模拟麦克风和数字麦克风的差异。图2a为ECM模拟麦克风的偏置电路。为了减小干扰，手机中的麦克风电路采用差分输出。麦克风电源经过R5电阻C9电容滤波以后，通过R6供给麦克风内部的场效应管，由R6、R9差分组成差分输出电路。C15和R6、R9以及麦克风的输出阻抗组成低通滤波器，用来滤除超过语音频段的高频信号，防止后级电路模数装换时产生混叠。C13、C17隔离直流偏置，R7、R8用来防止电容对芯片输入端的放电冲击。其余的33pF电容用来滤除射频干扰。麦克风输出到基带芯片的模拟输入端采用差分布线，减少噪声和射频干扰（见图2b）。MEMS麦克风的偏置电路。麦克风电源经过R1电阻C2电容滤波以后，供给MEMS麦克风内置的缓冲放大器和充电泵电路。MEMS拾取的声音信号转换成模拟电信号，经过缓冲放大后输出，经过C5、R2、C6组成的π型滤波器滤波，伪差分电路布线到基带芯片。图2c为数字麦克风的偏置电路。麦克风电源经过简单滤波以后供给麦克风。声音转换成模拟电信号经过内部缓冲放大，在时钟信号（SCL）的驱动，下最后模数转换成1位的PDM音频数据,从数据引脚（DATA）输出。

图2a ECM模拟麦克风电路

图2b MEMS模拟麦克风电路

图2c ECM/MEMES数字麦克风电路

各种类型麦克风比较：表1归结出ECM模拟麦克风，ECM数字麦克风，MEMS模拟麦克风和MEMS数字麦克风的性能指标和各自的优缺点。

脉冲密度调制(PDM)信号和数字麦克风接口：

模拟信号转换成PCM信号，根据奈奎斯特准则，通常必须用大于2倍的固定采样频率对模拟信号采样。模数装换，每个采样点可以用多位比特的数据表示。比特数越多，采样精度越高，失真越小，但是电路会复杂，成本很高，不适合低成本数字麦克风应用。如图3b，数字麦克风通常是采用1位δ-Σ模数转换器，对模拟信号进行过采样（只能用于带宽有限的信号，不适合宽频信号，例如视频信号），采样率由外部时钟提供。过采样可使量化噪声远离被采样的音频信号。离信号主频fs越近,噪声幅度越小。同时对抗混叠滤波器的要求大大降低，可以到达很高的精度。