降低道路和車內(nèi)噪音 (包括人際對話、信息娛樂應(yīng)用程序音源和空調(diào)通風(fēng)口等背景噪聲)，接收語音命令的麥克風(fēng)位置、數(shù)字信號處理技術(shù)和濾波器至關(guān)重要。就系統(tǒng)層級來看，從接收端到音頻編／譯碼器、軟件算法、數(shù)字信號處理器 (DSP)、音頻放大器和揚(yáng)聲器 (喇叭) 的每個環(huán)節(jié)，都將影響語音互動的結(jié)果。受惠于超靈敏的聲波傳感器和可解釋語音的復(fù)雜機(jī)器學(xué)習(xí)算法，語音識別技術(shù)的準(zhǔn)確性越發(fā)精進(jìn)。由上述可知，負(fù)責(zé)接收音頻的麥克風(fēng)裝置是第一道關(guān)卡，它是將聲波轉(zhuǎn)為電信號的＂換能器＂(Transducer)。
對音質(zhì)、音場的要求越來越高，音頻信號鏈中所參與的電子組件也變多；為實(shí)現(xiàn)輕薄短小的緊湊設(shè)計(jì)，微機(jī)電 (MEMS) 技術(shù)應(yīng)用漸廣。Market Reports World 平臺刊載一份研究預(yù)估，2024 年全球 MEMS 麥克風(fēng)市值將達(dá) 6.683 億美元，2020～2024 年期間年復(fù)合成長率 (CAGR) 為 8%；單是 2021 年就較去年同期增長 7.01%，主要供貨商有：瑞聲科技 (AAC)、思睿邏輯 (Cirrus Logic)、歌爾 (Goertek)、英飛凌 (Infineon)、樓氏電子 (Knowles)、奧姆龍 (OMRON)、羅伯特博世 (Robert Bosch)、意法半導(dǎo)體 (ST) 和東電化 (TDK)—應(yīng)美盛 (InvenSense)。
模擬 vs. 數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)，齊攻＂主動降噪＂
坊間 MEMS 麥克風(fēng)組件可分為模擬、數(shù)字兩類，最大區(qū)別是：模擬麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)相對單純、尺寸較小，適用于空間有限的小型手持裝置；數(shù)字麥克風(fēng)則是將模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換功能從編譯碼器移至麥克風(fēng)，打造從麥克風(fēng)至處理器的＂全數(shù)字音頻信道＂以降低噪聲，有利于應(yīng)對信號干擾較大的電路設(shè)計(jì)，但整個器件尺寸自然也較大。若麥克風(fēng)收音僅用于靜默監(jiān)聽、無需播放，音頻鏈后端不必有編譯碼器或音頻轉(zhuǎn)換器，那么，數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)顯然是首選；反之，牽涉到音頻播放或語音交互，模擬 MEMS 則當(dāng)仁不讓。
就整個 MEMS 麥克風(fēng)出貨市況來看，市調(diào)顧問公司 Omdia 在去年底發(fā)布的報(bào)告指出，英飛凌已躍居 MEMS 麥克風(fēng)芯片市場龍頭，囊括 43.5% 市占率，且領(lǐng)先第二名將近 4%、更遠(yuǎn)超第三名 37% 以上。日前，英飛凌再推出新一代模擬式 MEMS 麥克風(fēng)──XENSIV IM73A135，讓設(shè)計(jì)人員再也不必在高信噪比 (SNR)、精巧封裝、高聲學(xué)過載點(diǎn) (AOP)、低功耗，或 MEMS 與駐極體電容式麥克風(fēng) (ECM) 麥克風(fēng)之間做取舍。IM73A135 可達(dá)到 ECM 獨(dú)有高水平的音頻效能，兼具 MEMS 技術(shù)固有優(yōu)勢，可增強(qiáng)耳機(jī)主動降噪 (ANC) 功能。
圖1：IM73A135 麥克風(fēng)具備 73 dB 的 SNR 和較高的 AOP (135 dB SPL)，功耗僅有 170μA
資料來源：英飛凌提供
IM73A135 麥克風(fēng)具備 73 dB 的 SNR 和較高的 AOP (135 dB SPL)，擁有高動態(tài)范圍和緊密的頻率曲線匹配，可實(shí)現(xiàn)最有效的音頻信號處理并達(dá)到業(yè)界最低的 170μA 功耗，且體積小巧。此外，其低自有噪聲，特別適用于會議系統(tǒng)、攝影機(jī)或錄音機(jī)所需的高質(zhì)量音頻擷取。XENSIV MEMS IM73A135 將于 2021 年 3 月進(jìn)入經(jīng)銷市場，適用穿戴裝置的全新 MEMS 麥克風(fēng)技術(shù)將由＂Infineon-inside＂合作伙伴隨后推出。事實(shí)上，模擬式 MEMS 麥克風(fēng)輸出阻抗相對較低，搭配數(shù)字式 MEMS 麥克風(fēng)輸出，更適合電氣噪聲充斥的環(huán)境。
在模擬 ANC 揚(yáng)聲器驅(qū)動芯片穩(wěn)定出貨逾十年的艾邁斯半導(dǎo)體 (ams)，雖已將 MEMS 麥克風(fēng)專用芯片 (ASIC) 業(yè)務(wù)售予樓氏，仍致力耕耘數(shù)字 ANC 技術(shù)——其 AS3460＂數(shù)字音頻放大器＂協(xié)助全球首款雙芯片降噪爆款耳機(jī)＂Padmate PaMu Quiet＂協(xié)調(diào)管理 ANC 和聲音通透性，可放大語音、自動無縫執(zhí)行預(yù)設(shè)交叉淡入、淡出，實(shí)現(xiàn) 40dB ANC 噪音消除和音頻播放 (未來上看 50dB+)，與藍(lán)牙 (Bluetooth) 搭配使用無須犧牲音頻或降噪效能。ams 強(qiáng)化聽覺引擎平臺可為入耳式／半入耳式耳機(jī)導(dǎo)入自適應(yīng)泄漏補(bǔ)償 (ALC)、自動預(yù)設(shè)選擇 (APS) 等功能。
TDK InvenSense 在今年 CES (國際消費(fèi)電子展) 推出一款 PDM (脈沖密度調(diào)變) 數(shù)字 MEMS麥克風(fēng) T5838，是其 SmartSound 產(chǎn)品系列最新技術(shù)突破，具有 68dB SNR、133dB AOP，號稱業(yè)界功率最低——130µA 低功耗模式，330µA 高質(zhì)量模式，新功能＂聲學(xué)活動檢測＂(AAD) 支持 20µA 的可配置的聲音喚醒功能，以因應(yīng)常時(shí)啟動 (Always-On) 所需。TDK 表示，聲學(xué)活動檢測是一項(xiàng)新的超低功耗邊緣處理功能，以監(jiān)視聲學(xué)環(huán)境并在檢測到活動時(shí)喚醒系統(tǒng)單芯片 (SoC) 或應(yīng)用處理器 (AP)；T5838 還提供用戶可編程性，為不同應(yīng)用優(yōu)化性能。
后起之秀：＂壓電式＂MEMS，耐用、啟動快且可自供電
整體而言，MEMS 麥克風(fēng)由于較傳統(tǒng) ECM 擁有更好的音質(zhì)、靈敏度和定向性，便于從數(shù)據(jù)獲取上、下文進(jìn)行有效處理和渲染，且功耗、成本更低，體積也小巧得多。ECM 預(yù)先存在表面電荷，電容器可保持永久電壓以減少所需功率；然而當(dāng)收音設(shè)備越來越精巧，SNR 和穩(wěn)定性卻隨之下降，溫差大時(shí)尤其嚴(yán)重。于是，可在麥克風(fēng)內(nèi)部將模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號、較不受噪聲影響、設(shè)計(jì)自由度高且易于制造的數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)日受歡迎。不過，為進(jìn)一步增強(qiáng)抵抗粉塵／微粒、雨水／汗水、震動及高分貝噪音能力，＂壓電式＂(Piezoelectric) 麥克風(fēng)成后起之秀。
＂壓電式＂MEMS 麥克風(fēng)采用單層薄膜設(shè)計(jì)的壓電器件不會在背板間隙夾雜灰塵、空氣或雨水等污染物，影響靈敏度和頻率響應(yīng)，亦避免膜片黏附于背板上。簡言之，它具備防水、防塵、超高聲學(xué)過載點(diǎn)、消除回聲特性，耐用、啟動快且可自供電，對于細(xì)微聲響的收音效果更好，更適用于背景噪音大的空間、長距離、戶外或低頻對話，應(yīng)用面廣泛，但薄膜器件制造不易是其缺點(diǎn)。可喜的是，美國 Vesper Technologies 借助石墨烯制程已有所突破，且已獲亞馬遜 (Amazon) Alexa 認(rèn)可。
圖2：電容式 MEMS 麥克風(fēng)易受粉塵／微粒 (右上)、水份 (左下) 污染，或使膜片黏附于背板 (右下)
2018 年，Vesper 宣布與 Unisem 合作開發(fā)壓電 MEMS 麥克風(fēng)，次年即推出專為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備設(shè)計(jì)的 VM3000 數(shù)字麥克風(fēng)。Vesper 一語道破壓電和電容 MEMS 麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于：壓電 MEMS 不需背板、不存在背板和氣隙，將為 MEMS 壓電式麥克風(fēng)提供可靠性和強(qiáng)固性。再者，壓電式的抑制超聲波頻率能力亦較優(yōu)：MEMS 電容式麥克風(fēng)的信號是與移動的振動膜和固定背板之間的間隙變化成比例，但壓電式信號是在移動的振動膜中生成，利用壓電效應(yīng)將聲波能量直接轉(zhuǎn)為電信號，SNR 出色且可穩(wěn)定匹配，非常適合大型數(shù)組應(yīng)用。
Vesper 先馳得點(diǎn)，VM3011 將＂音場背景＂納入考慮
反觀在電容式 MEMS 麥克風(fēng)，振動膜片的剛度變化會顯著牽制麥克風(fēng)的 SNR，無法實(shí)現(xiàn)更高的 AOP；但壓電式傳感器在高聲壓級之前是高度線性 (極限聲壓約 170 dB SPL)，故這些麥克風(fēng)上的 AOP 僅受 ASIC 電壓軌的限制。這種線性為壓電 MEMS 麥克風(fēng)提供較高的抗靜電能力。當(dāng)聲壓進(jìn)入壓電麥克風(fēng)的聲音端口，會使懸臂壓電振動板偏轉(zhuǎn)及彎曲，振動膜會產(chǎn)生應(yīng)力并根據(jù)電路的電邊界條件產(chǎn)生電場或電位移 (電場大小取決于聲壓和耦合系數(shù)所產(chǎn)生的應(yīng)力)，將直接經(jīng)由壓電效應(yīng) (Piezoelectricity) 在 MEMS 換能器的輸出端產(chǎn)生電壓。
然后，由封裝內(nèi)的 ASIC 電路放大。壓電材料乃響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力而產(chǎn)生電荷，不需電荷泵即可產(chǎn)生偏置電壓，所以可以超低電流啟動并快速喚醒 (啟動速度僅約 200 微秒)，不會遺漏關(guān)鍵詞；但電容式則需要時(shí)間才能將 MEMS 充電至高偏置電壓，啟動時(shí)間＞250 倍！Vesper 自有 ZeroPower Listening (ZPL) 收聽技術(shù)便使用壓電效應(yīng)讓換能器充當(dāng)開關(guān)。ZPL 的工作原理是：當(dāng)聲波撞擊壓電懸臂時(shí)將移動懸臂、產(chǎn)生電壓，由非常低功耗的比較器電路感測到后，該電路將喚醒信號發(fā)送到系統(tǒng)的其余部分。
圖3：VM3011 支持不同 PDM 頻率速度的多種操作模式，若用于聲音活動檢測的 ZPL 模式需關(guān)閉頻率，可使用 I2C 數(shù)據(jù)交換動態(tài)更改 ZPL 觸發(fā)器的閾值
Vesper 強(qiáng)調(diào)，雖然任何聲音都會在壓電 MEMS 懸臂上產(chǎn)生電壓，但并非所有聲音都會啟動伴隨電路，該電路設(shè)計(jì)僅會響應(yīng) 250Hz～6kHz (包括人聲) 聲音，風(fēng)聲或空調(diào)聲等超出范圍者并不會讓麥克風(fēng)誤動作；要啟動麥克風(fēng)，聲音還須超過 65～89 dB 的指定聲壓級 (SPL)，可經(jīng)由外部電阻值設(shè)置。Vesper 于去年中推出世界首個具有自適應(yīng) ZPL 技術(shù)＋I(xiàn)P57 防護(hù)等級的智能數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)——VM3011，會根據(jù)環(huán)境的背景水平自動調(diào)整聲學(xué)閾值，在同一封裝集成 ASIC 和壓電 MEMS 換能器，數(shù)字 PDM 接口可用于傳輸音頻數(shù)據(jù)。
壓電式微機(jī)械超聲換能器，潛力大
藉由 PDM 頻率速度更改設(shè)備模式，I2C 接口則允許＂實(shí)時(shí)＂配置自適應(yīng) ZPL。當(dāng)與壓電麥克風(fēng)的超快速啟動結(jié)合使用時(shí)，系統(tǒng)可忽略背景噪音，僅在響應(yīng)關(guān)鍵詞或需要聲學(xué)觸發(fā)才喚醒，90% 時(shí)間皆處于休眠狀態(tài)，可延長十倍電池壽命；搭配 DSP 還可運(yùn)行 Sensory Truly Handfree 算法做關(guān)鍵詞檢查。ST 亦加快壓電 MEMS 研發(fā)腳步，于去年底宣布與新加坡研究機(jī)構(gòu) A * STAR 的 IME 和日本制造工具供貨商 ULVAC 合作，共同在 ST 的現(xiàn)有制造工廠內(nèi)共同建立一條專注于 Piezo MEMS 技術(shù)的 8 吋 (200mm) 研發(fā)線——＂Lab-in-Fab＂。
此舉意在促進(jìn)創(chuàng)新并加速新材料、制程技術(shù)及最終產(chǎn)品開發(fā)，加速壓電 MEMS 致動器新應(yīng)用，包括：智能眼鏡、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 擬真音場耳機(jī)、光達(dá) (LiDAR) 系統(tǒng)的 MEMS 反射鏡、新興醫(yī)療應(yīng)用的壓電式微機(jī)械超聲換能器 (PMUT)，以及商用／醫(yī)用壓電頭和工業(yè) 3D 打印。新廠擬于今年第二季投產(chǎn)、于 2022 年底量產(chǎn)。終端應(yīng)用亦有新創(chuàng)意，德國設(shè)計(jì)工作室 WertelOberfell 去年底推出可由太陽能自行采集能量的自行車頭盔 ESUB Tracks，集成印制壓電骨傳導(dǎo)揚(yáng)聲器，熱壓到帽帶壓紋內(nèi)層的皮帶上、再貼近騎士耳朵，以產(chǎn)生接近的聲音。
圖4：印刷的壓電麥克風(fēng)能理解基本的語音命令并控制轉(zhuǎn)向信號燈
揚(yáng)聲器與智慧手機(jī)的藍(lán)牙連接，以提供清晰音頻。在用戶的下巴下方，則有印刷壓電麥克風(fēng)可理解語音命令；若騎士必須轉(zhuǎn)彎，麥克風(fēng)可記錄轉(zhuǎn)彎信號等語音命令并在帽沿以閃燈表示，無需手部動作示意。要將實(shí)時(shí)語音生成文本有兩大步驟：一是傳感器必須將傳入的聲波轉(zhuǎn)換為電信號，二是使用軟件確定單詞——將電信號從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字后，由快速傅立葉變換 (Fourier transform) 分析，以找出隨時(shí)間變化的頻率幅度；一旦聲音變化很大，必須通過機(jī)器學(xué)習(xí)提高時(shí)間準(zhǔn)確性。有鑒于此，韓國學(xué)術(shù)單位仿效人類耳膜構(gòu)造、用壓電式聲波傳感器收音。
喚醒詞太枯燥？訂做一個喜歡的吧！
沿著位于振膜上的各定點(diǎn)分析多個信號，較僅就一個信號做時(shí)間、頻譜轉(zhuǎn)換分析更準(zhǔn)確 (實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率達(dá) 97.5%)，且號稱可收到的信息量是傳統(tǒng)電容式傳感器的兩倍。解決了收音問題，要開啟語音互動前，如果厭倦了單調(diào)的喚醒詞，現(xiàn)在也可＂訂做一個它＂。交互式語音技術(shù)新創(chuàng)公司 Picovoice 將公開共享他們的平臺，并免費(fèi)為公司許可Alexa、Siri 和 Google Assistant 的喚醒詞模型。設(shè)備制造商既可提供自己的基于 Picovoice 平臺的語音助理、亦可與最受歡迎的語音助理連接，不必付費(fèi)使他們的設(shè)備了解喚醒詞。
Picovoice 提供一個建構(gòu)自定義喚醒詞的平臺，樂金 (LG) 和惠而浦 (Whirlpool) 等公司已將其整合到其產(chǎn)品中，以替代 Amazon 或 Google 的服務(wù)。語音引擎可針對非常特殊的用例生成定制的助理，并帶有諸如洗衣服或打開微波爐等活動的命令。基于開放和可互操作愿景，Picovoice 可確保語音助理都在設(shè)備上運(yùn)行，而無需將任何數(shù)據(jù)發(fā)送到云端；此種基于邊緣的方式意味著制造商不必依靠遠(yuǎn)程服務(wù)器添加語音交互，也不必?fù)?dān)心發(fā)送到云端的數(shù)據(jù)受到破壞，所有數(shù)據(jù)都保留在本地和私有位置。
圖5：Picovoice 平臺兩大功能：Porcupine 和 Rhino。前者負(fù)責(zé)傾聽并用于檢測熱門單詞；后者是語音到意圖引擎，可對語音數(shù)據(jù)執(zhí)行自然語言理解 (NLU) 并推斷意圖，無需中間語音到文本
Picovoice 軟件幾乎可在微控制器 (MCU) 到 Web 瀏覽器的任何平臺運(yùn)行，通過設(shè)備上的語音識別和自然語言理解 (NLU) 為邊緣語音 AI 提供支持，包括行動平臺、桌面操作系統(tǒng) (Linux/Mac/Windows)，以及 Raspberry Pi、BeagleBone 等嵌入式平臺。他們斷言，＂針對目的和品牌的語音助理，是語音作為接口發(fā)展的下一個邏輯步驟＂，但這并不妨礙公司在設(shè)備上提供 Alexa 或 Google 助手，它只是不必自動執(zhí)行。免費(fèi)獲得喚醒詞模型許可讓設(shè)備制造商有更多選擇，例如，可為電梯和對講機(jī)等操作設(shè)備提供零接觸操作。
本月熱點(diǎn) HOME
欄目熱點(diǎn) HOME
- 業(yè)界資訊
是德科技 FieldFox 手持式分析儀配合 VDI 擴(kuò)頻模塊，實(shí)現(xiàn)毫米波分析功能 -
業(yè)界資訊
推進(jìn)ECU板對板連接，提升自動駕駛水平
02-06 -
新品報(bào)到
阜博集團(tuán)發(fā)布DreamMaker新產(chǎn)品
03-28 -
業(yè)界資訊
香港生產(chǎn)力促進(jìn)局2021年「成就智上」年度主題
02-28 -
業(yè)界資訊
西門子收購 Dotmatics，將 AI 驅(qū)動的工業(yè)軟件版圖擴(kuò)展至生命科學(xué)領(lǐng)域
04-06 -
業(yè)界資訊
西門子收購 Dotmatics，將 AI 驅(qū)動的工業(yè)軟件版圖擴(kuò)展至生命科學(xué)領(lǐng)域
04-06