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低自噪声：迈向高性能MEMS麦克风应用的第一步
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作者:
forsuccess
时间:
2013-12-14 19:34
标题:
低自噪声：迈向高性能MEMS麦克风应用的第一步
[导读]
MEMS麦克风具有MEMS器件的许多典型优势，包括超小尺寸、低功耗、性能稳定等，但是，这些麦克风的音频特性尚不足以满足某些设计要求。如今，高性能MEMS麦克风正在实现新的可能，许多声学专家会指出：自噪声是第一个需要考虑的特性。
关键词：
MEMS麦克风
信噪比
传感器
微机电系统（MEMS）麦克风具有MEMS器件的许多典型优势，包括超小尺寸、低功耗、性能稳定（不随时间和温度而变化）等。但是，这些麦克风的音频特性尚不足以满足某些设计要求，例如需要捕捉来自远处的声音或需要使用多个麦克风时。如今，高性能MEMS麦克风正在实现新的可能，许多声学专家会指出：自噪声是第一个需要考虑的特性。
自噪声——您需要知道的事情
任何麦克风都会产生一定水平的噪声，噪声源包括其电子电路、传感器元件和外壳等。这种固有噪声称为“自噪声”。凡是用过手机的人都熟悉这种声音。例如，当手机接通但无人讲话时，您听到的嘶嘶声就是自噪声。
对于电子设计师，麦克风自噪声是一个永远存在的约束条件。我们的目标只是让麦克风向信号链的其余部分提供尽可能多的信号。麦克风固有的自噪声也称为噪底，从音频源捕捉到的部分信号会低于噪底。
麦克风的噪声越高，您获得的信号就越少。麦克风的噪声越低，就有更多的裕量来将需要的声音与不需要的噪声隔离开来。这样，处理器（DSP或编解码器）就有更多的信号可供处理。因此，采用更安静的麦克风可以使信号链输出的声音更清晰。
麦克风的信噪比越高，说明麦克风越安静，反之则说明其自噪声越大。
虽然高SNR在任何情况下都是有用的，但如果音频源距离麦克风非常近，那么这项特性并不是那么重要。对于这种近场应用，通常会有足够多的信号。在麦克风与声源相距较远的应用中，如果采用低SNR的高噪声麦克风，所产生的信号将非常差或无法听清。
特性的含义
麦克风的自噪声或噪底在很大程度上决定了能够捕捉并传送到信号链的音频质量。信噪比（SNR）和等效输入噪声（EIN）是描述噪底位于何处的两个特性。
相比于以前的技术，MEMS麦克风的自噪声已大幅降低（见图1）。
图1 MEMS麦克风自噪声大幅降低
1 信噪比（SNR）
SNR是指参考信号与麦克风的噪底之比。麦克风的SNR是其固有自噪声与标准1 kHz、94dB SPL （1Pa）参考压力之差。此特性通常表示为20kHz带宽下的A加权值（dBA）。A加权的意思是所提供的SNR包括一个校正因子，它对应于人耳对不同频率声音的灵敏度。比较不同麦克风的SNR时，应确保它们基于相同的权重和带宽。如果测量不使用相同的权重和带宽，比较将是不准确的。
2 等效输入噪声（EIN）
等效输入噪声是将麦克风的输出噪声水平表示为一个施加于麦克风输入端的理论声学噪声源。测量单位为声压级，用分贝（dB SPL）表示。小于EIN水平的SPL低于麦克风的噪底。
EIN可以直接从麦克风的SNR特性确定：
EIN =94dB-SNR
MEMS麦克风的SNR性能倍增
MEMS行业的早期麦克风提供大约58～60dB的SNR，声学性能不及驻极体电容麦克风（ECM）。现在，这一状况正在改观，领先制造商制造的MEMS麦克风性能已有大幅提高。
超低噪声MEMS麦克风ADMP504和ADMP521的噪底比早期MEMS麦克风降低2倍以上。ADMP504和ADMP521是首批达到65dBA SNR（29dBA EIN）的MEMS麦克风。
65dBA的SNR即使对于驻极体麦克风也是相当好的性能，但在SNR相当的情况下，ECM的尺寸通常远大于MEMS麦克风。ECM尺寸缩小时，其SNR会快速下降（见图2）。此外，ECM也没有MEMS麦克风所具有的其他优势，如在所有工作温度下对声音的响应一致性等。
图2 MEMS麦克风VS ECMs
捕捉远处的声音
高性能MEMS麦克风的SNR对哪些应用有利呢？虽然几乎任何应用都可以获益，但现在您可以考虑将这些麦克风应用于以前无法应用的领域。
在视频会议、专业音频和工业系统等应用中，声源常常不在麦克风附近。类似这样的远场应用正是低噪声MEMS麦克风大显身手的地方。
一个具体例子是利用网络摄像头和平板电脑进行视频通话（如Skype）。现在，MEMS麦克风已经可以支持这些产品的高清音频捕捉，而且MEMS麦克风的封装非常紧凑，足以放入最小的消费电子设备。
另一个可能性是将MEMS麦克风用作声学传感器。在工业设备设计中，将麦克风置于机器外壳内部并不总是可行。然而，当麦克风拾取通过坚硬障壁传输的声音时，会有大量信号损失。
低自噪声的麦克风更能采集到足够的信号。例如，在流量控制应用中，麦克风可以通过侦听流过管道的物料来发现生产问题。
多麦克风应用
对于任何多麦克风波束成形算法，低噪底也很关键。与阵列中的单麦克风相比，波束成形算法往往导致系统噪声水平较高。因此，必须确保阵列中的每个麦克风都具有高SNR。
由于波束成形可以提高麦克风阵列的方向性，因此这种阵列在视频会议系统中很受欢迎。视频会议系统既包括公司会议室中的固定视频会议设备，也包括使用者从其客厅拨打视频电话的电视机顶盒。
多麦克风波束成形也用于安保应用。安保和监控设备一般安装在固定地点，但并非所有可疑活动都发生在摄像头的视野范围内。利用低噪声MEMS麦克风，住宅和商业建筑的安保摄像头可以利用音频来检测声音来自哪个方向，从而把镜头指向目标方向。
考虑麦克风的最低噪声
对于极具挑战性的音频捕捉应用，虽然最终会考虑不止一方面的麦克风性能，但低噪底是一个决定成败的特性。过去，如果需要高SNR，可能不得不选择驻极体麦克风。如今，选择范围已不再局限于传统的麦克风技术。
现在的MEMS麦克风SNR是以前产品的2倍以上，因而适合许多新型高性能应用。随着MEMS麦克风技术的成熟，现代MEMS麦克风已经实现超低噪声、小尺寸并兼容回流焊的封装以及大家期盼的所有其他特性。
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