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将低噪声麦克风阵列集成到笔记本电脑中

上网日期: 2006年09月22日 ?? 作者: Marcie Weinstein ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:VVOIP? 数字麦克风? MEMS? 麦克风阵列?

在过去的二十年中,笔记本电脑从纯粹的文字处理和财务计算的商业机器转变成一种多媒体设备,可以用作电视、游戏机、CD/DVD播放器以及电话——只需要一直保持与全球信息网络的连接即可。为支持这种演变,业界投入了大量的时间和精力用于改善显示技术和音频输出质量。然而,音频输入端很大程度上被忽略了,通常提供给用户非常普通的体验。情况一直是如此,直到最近新一代笔记本电脑平台正在被设计以支持实时通信应用(如基于IP的视频和语音(VVoIP))。这些应用正在推动对改善的音频输入系统的需要,以满足用户对高质量的通信体验的需求。

为了支持这种新的功能,笔记本电脑音频系统设计师一直为实现低噪声、高质量的嵌入式麦克风设计而努力。然而,事实证明在笔记本电脑环境中嵌入麦克风具有很大的挑战。对于设计师来说幸运的是,可以采用几个简单的步骤来克服多数这些挑战,以快速地得到一种高质量的音频输入解决方案。这些步骤是:1. 选择正确的麦克风位置;2. 为这种应用选择最佳类型的麦克风;3. 用两个或更多的麦克风组成一个阵列,以利用噪声抑制和波束形成算法的优点,这些算法是Windows Vista的一部分。本文将详细地讨论这三个步骤。

步骤一:选择正确的麦克风位置-将麦克风远离机械和声学噪声源

尽管将笔记本电脑中的麦克风阵列尽量远离系统内部的噪声源看起来是一种显而易见的方法,但一直以来并没有遵从这种建议。从机械和声学噪声角度来看,笔记本电脑的底座是一种特别恶劣的环境,但这种底座已成为麦克风安装位置的标准选择。在笔记本电脑底座中最常见的噪声源以及传统的麦克风位置如图1所示。

当麦克风位于笔记本电脑的底座时,在VVoIP通话另外一端的人很可能在想听你的声音时,听到冷却风扇开启和停止的声音。

麦克风阵列更好的位置是翻盖,放在这里后麦克风和机械噪声源之间的距离大大地增加。噪声源与麦克风之间的距离每增加一倍,到达麦克风的噪声降低6dB。在某些情况下,将麦克风安装在翻盖里可以将麦克风和噪声源之间的距离增加超过5倍,将噪声降低至无法听到的程度。

让麦克风阵列位置远离笔记本电脑底座中的噪声源器件,并将其放置在翻盖中,这个简单步骤将朝着实现改进的语音质量的目标前进一大步。

步骤二:为这种应用选择最佳麦克风

尽管按照声学性能的观点,将麦克风阵列嵌入到翻盖中非常理想,但是笔记本电脑设计师在开发这种平台时,会面临重大的电气挑战。通过选择正确的麦克风用于翻盖中的麦克风阵列,可以大大减小这些挑战。

随着广泛采用无线通信,笔记本电脑翻盖成为具有大量天线的环境,包括用于Wi-Fi、WAN、GSM以及其它的无线标准的天线。当传统的麦克风放在翻盖中时,这些天线将会干扰麦克风。当数据正在发送时,用户将听到来自于天线的射频干扰带来的破声,表现为周期性出现的很大的嗡嗡声。此外,翻盖中的麦克风还会遇到来自于附近元件的电磁干扰,例如液晶面板中的背光逆变器。这种干扰往往会产生很多讨厌的、持续的背景嗡嗡声。在这两种情况下,当存在这些噪声时,通信质量大为降低。


图1:笔记本电脑中通常的机械和声学噪声源以及典型的麦克风位置

采用传统的模拟麦克风,在翻盖中很难解决音频路径上的射频和电磁干扰。为了克服干扰,除了由于使用屏蔽电缆和预放大器导致的材料成本增加以及物理空间受限外,还需要大量的设计时间来实现满意的解决方案。幸运的是,下一代的麦克风的设计已经实现了具有鲁棒性的数字输出,数字输出具有抵抗射频和电磁干扰的能力,为将麦克风集成到翻盖中提供了一种简单直接的方法。数字麦克风由一个传感器、输出放大器和增量累加转换器组成。在各种数字麦克风中,如果使用单芯片的MEMS数字麦克风,因为没有了对干扰敏感的内部线路结合点,可以获得最高等级的射频和电磁抵抗能力。

数字麦克风的输出通常是脉冲密度调制(PDM)或者单比特数据流,后续的电路可以对这个数据流进行10抽一的抽取。如图2所示,PDM输出不会像传统的模拟信号那样在传递到编解码器的过程中信号质量下降。而且,传统的模拟麦克风需要来自附近电压调整器的干净电源,以避免麦克风性能受到电源纹波的影响。


图2:笔记本电脑中的数字和模拟麦克风架构对比

另一方面,数字麦克风像集成电路一样通过直接连接到电源实现供电。在单芯片的数字麦克风中,电源输入与系统中的其它部分的片上隔离增加了器件的电源抑制(PSR)。因此,单芯片数字麦克风本身就比传统的麦克风对电源噪声更具抵抗能力。这给了设计师很大的灵活性,在从翻盖上已有的组件(如摄像模块)为麦克风提供电源时,不需要增加滤波电路。

在笔记本电脑中使用数字麦克风架构时,通常不再需要屏蔽电缆、额外的预放大器、电压调整器和冗长的仿真。信号的走线反而可以用非屏蔽线缆实现,这种线缆很容易通过笔记本电脑的铰链,并可以有效地忽略天线辐射模式。当要把麦克风阵列嵌入到笔记本电脑翻盖中时,这使得数字麦克风架构成为复杂程度最低,最具成本效益的方法。

步骤三:嵌入两个或更多的麦克风并使用波束形成算法

在笔记本电脑中嵌入一个麦克风对于在一个安静的房间中传递声音来说,是一个比较合理的方法。然而,在一个嘈杂的环境中,一种更有效的解决方案是使用由两个或更多麦克风组成的麦克风阵列。麦克风阵列可以结合波束形成、噪声抑制以及声学回声消除算法来使用,这些算法可以显著改善语音输入质量。微软公司的下一代操作系统Windows Vista将包含这些类型的算法,以用于实时通信应用。

与麦克风阵列一起工作的音频算法通过处理到达每个麦克风的声音以形成一个“汇聚点”,使麦克风集中语音并抑制周围的噪声,如图3所示。


图3:使用单个麦克风与采用波束形成软件的麦克风阵列传输的声音比较
当声音在室内移动时,某些算法,如包含在Windows Vista中的那些算法,允许“汇聚点”跟随语音进行调整变化。通常而言,如果你将麦克风阵列中的麦克风数量从两个增加到四个或者更多,“汇聚点”会更缩小,环境噪声可以进一步得到抑制。

因此将数字麦克风阵列嵌入到笔记本电脑的翻盖中将能实现最高质量的实时通信语音输入解决方案,并且将允许笔记本电脑制造商充分利用Windows Vista中可用的功能。

本文小结

将笔记本电脑用于实时通信应用越来越普遍。为了获得愉快的终端用户体验,笔记本电脑必须同时提供高质量的音频输出/输入。尽管设计高质量的输入解决方案可能具有挑战性,但遵照以下三个建议将能简化设计:1. 将麦克风阵列安装在翻盖中,远离机械和声学噪声源;2. 在翻盖中使用数字麦克风以消除射频和电磁噪声对音频路径的干扰,而且不需要屏蔽电缆、另外的放大器和电压调整器;3. 在翻盖中使用两个或更多的数字麦克风并结合波束形成算法,以抑制环境噪声。如果能够遵照这三个指示,你将为终端用户的实时通信应用提供最高质量的语音输入解决方案。

作者:Marcie Weinstein

产品行销总监

Akustica公司






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