中心議題:
- 微型數(shù)字傳聲器技術(shù)
- 微型數(shù)字傳聲器應(yīng)用
- 微型數(shù)字傳聲器發(fā)展
解決方案:
- 內(nèi)置式數(shù)字傳聲器IC芯片普遍采用∑一△模數(shù)轉(zhuǎn)換編碼格式
- 數(shù)字傳聲器普遍使用的∑一△ADC采用了1 bit變換技術(shù)
1 引言
近幾年中國(guó)微型傳聲器產(chǎn)業(yè)正在飛速增長(zhǎng),尤其微型數(shù)字傳聲器的應(yīng)用需求日益高漲,作為傳聲器技術(shù)的一個(gè)重要分支,在目前快速發(fā)展的手機(jī)、筆記本式計(jì)算機(jī)、平板計(jì)算機(jī)等多種數(shù)字消費(fèi)領(lǐng)域中有著非常廣闊的應(yīng)用前途,并且已經(jīng)顯示出加速發(fā)展的趨勢(shì)。下面重點(diǎn)介紹此類(lèi)微型數(shù)字傳聲器的技術(shù)與發(fā)展。
2 微型數(shù)字傳聲器技術(shù)
2.1微型數(shù)字傳聲器原理
數(shù)字傳聲器,顧名思義就是直接輸出數(shù)字脈沖信號(hào)的傳聲器電聲器件。從應(yīng)用角度來(lái)劃分,可以分為兩類(lèi):一類(lèi)為USB接口的數(shù)字傳聲器,其核心電聲換能器件仍為模擬音頻輸出信號(hào),經(jīng)過(guò)USB接口音效芯片轉(zhuǎn)換為PC格式的數(shù)字信號(hào)輸出接口,此類(lèi)傳聲器多數(shù)作為PC周邊配套外設(shè),如USB接口錄音傳聲器、USB接口耳麥等,嚴(yán)格說(shuō)來(lái),此類(lèi)數(shù)字傳聲器應(yīng)稱為數(shù)字接口傳聲器。另一類(lèi)為真正意義上的數(shù)字傳聲器,此類(lèi)傳聲器采用內(nèi)置阻抗變換、前置增益、A/D編碼器的IC芯片,作為電聲換能器件直接輸出的便是脈沖數(shù)字信號(hào),可以直接與相應(yīng)的編解碼芯片( CODEC)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的傳輸。數(shù)字傳聲器接口原理如圖1
圖1 數(shù)字傳聲器接口原理圖
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)廣大消費(fèi)電子領(lǐng)域的日益滲透,數(shù)字技術(shù)在音視頻領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在。早期音頻處理芯片均采用模擬傳聲器接口技術(shù),由音效芯片的A/D部分完成模擬音頻信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于數(shù)字技術(shù)的日漸成熟,越來(lái)越多的IC設(shè)計(jì)公司開(kāi)始設(shè)計(jì)出帶數(shù)字傳聲器接口的新型音頻芯片( HAD CODEC)及DSP芯片,由此推動(dòng)了微型數(shù)字傳聲器的研發(fā)與應(yīng)用?! ?br />
2.2數(shù)字傳聲器A/D變換原理
目前國(guó)際上IC廠商推向市場(chǎng)的內(nèi)置式數(shù)字傳聲器IC芯片普遍采用∑一△模數(shù)轉(zhuǎn)換編碼格式,此編碼格式與相關(guān)應(yīng)用設(shè)備采用的DSP及CODEC芯片的數(shù)字傳聲器輸入接口格式相兼容。
與常規(guī)PCM編碼器不同,∑一△變換采用過(guò)取樣技術(shù),將信號(hào)按時(shí)間分割,保持幅度恒定,具有高取樣率、噪聲整形和比特字長(zhǎng)短的特點(diǎn)。變換可以在高取樣率、低分辨率的量化器中進(jìn)行,可廣泛用于音頻信號(hào)數(shù)字化的∑一△模數(shù)編碼器(ADC)及數(shù)字信號(hào)還原為模擬音頻信號(hào)的∑一△數(shù)模解碼器( DAC)?! ?br />
∑一△變換時(shí)根據(jù)采用的具體結(jié)構(gòu)可采用I bit或多比特變換,目前數(shù)字傳聲器普遍使用的∑一△ADC采用了1 bit變換技術(shù),克服了采用多比特變換時(shí)所帶來(lái)的量化非線性誤差、糾錯(cuò)困難的缺點(diǎn)?! ?br />
數(shù)字傳聲器結(jié)構(gòu)及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片原理見(jiàn)圖2.
圖2數(shù)字傳聲器結(jié)構(gòu)及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片原理圖
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2.2.1∑一△轉(zhuǎn)換器
模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成PCM信號(hào),根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則,通常必須用大于采樣樣本最高頻率2倍以上的固定采樣率對(duì)模擬信號(hào)采樣后進(jìn)行量化編碼,每個(gè)采樣點(diǎn)可以用多位比特的數(shù)據(jù)量化。量化比特?cái)?shù)越多,采樣精確越高,失真越小,但是電路會(huì)變復(fù)雜,成本相對(duì)增高,不適合低成本數(shù)字傳聲器模數(shù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用。微型數(shù)字傳聲器通常采用1位∑一△模數(shù)轉(zhuǎn)換器,對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣(只能用于帶寬有限的信號(hào),不適合寬頻信號(hào),例如視頻信號(hào)),采樣率由外部時(shí)鐘提供。過(guò)采樣可使量化噪聲遠(yuǎn)離被采樣的音頻信號(hào)。離信號(hào)主頻?s越近,噪聲幅度越小。同時(shí)對(duì)抗混疊濾波器的要求大大降低,可以達(dá)到很高的精度,具體原理及時(shí)序圖分別見(jiàn)圖3和圖4.
圖3 l bit∑一△轉(zhuǎn)換器
圖4∑一△轉(zhuǎn)換器時(shí)序圖
2.2.2取樣時(shí)鐘與音頻帶寬上限的關(guān)系
微型數(shù)字傳聲器音頻帶寬( BW)上限取決于時(shí)鐘( CLK)與2倍過(guò)采樣率(OSR)之比。l bit∑一△轉(zhuǎn)換器(ADC)的過(guò)采樣率OSR= 60.音頻帶寬計(jì)算公式如下
BW= CLK/(2×60) (1)
例如:1.2 MHz clk→BW= 1.2 M/(2 x60)=10 kHz
取樣時(shí)鐘與音頻帶寬上限的關(guān)系見(jiàn)表1.
表1 取樣時(shí)鐘頻率與音頻帶寬上限對(duì)應(yīng)表
2.3微機(jī)電(MEMS)數(shù)字傳聲器
業(yè)內(nèi)人士分析,2012年以后,微機(jī)電( MEMS)傳聲器市場(chǎng)將真正開(kāi)始走上發(fā)展快車(chē)道。微機(jī)電( MEMS)傳聲器尤其是微機(jī)電(MEMS)數(shù)字傳聲器的大量新應(yīng)用已經(jīng)涌現(xiàn)出來(lái)。包括:手持設(shè)備、有源降噪耳機(jī)、錄音機(jī)、攝像機(jī)、用于VoIP的筆記本式計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放機(jī)和交互式游戲機(jī)。廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品的語(yǔ)音控制被認(rèn)為是一個(gè)利潤(rùn)豐厚的市場(chǎng)。汽車(chē)上的免提通信和導(dǎo)航設(shè)備也是微機(jī)電( MEMS)傳聲器一個(gè)具有增長(zhǎng)潛力的市場(chǎng)?! ?br />
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雖然駐極體( ECM)數(shù)字傳聲器較微機(jī)電(MEMS)數(shù)字傳聲器目前還有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì),但是微機(jī)電( MEMS)數(shù)字傳聲器在尺寸(小至2.6 mm×1.6 mm×1.0 mm)、結(jié)構(gòu)(后進(jìn)聲形式)、耐熱性(可回流焊)以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性上都具有較大優(yōu)勢(shì),仍是新型數(shù)字消費(fèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮的電聲采購(gòu)器件?! ?br />
微機(jī)電( MEMS)數(shù)字傳聲器主要由微機(jī)電換能器( MEMS sensor)、內(nèi)含充電電荷泵的數(shù)字傳聲器專(zhuān)用芯片(ASIC)、印刷電路基板(PCB)及屏蔽外殼組成。微機(jī)電( MEMS)數(shù)字傳聲器原理與封裝結(jié)構(gòu)圖分別如圖5、圖6所示。
圖5微機(jī)電( MEMS)數(shù)字傳聲器原理圖
圖6微機(jī)電(MEMS)數(shù)字傳聲器封裝結(jié)構(gòu)
3 微型數(shù)字傳聲器應(yīng)用
數(shù)字ECM或MEMS傳聲器和傳統(tǒng)的ECM傳聲器相比,有著不可取代的優(yōu)勢(shì)。首先,移動(dòng)設(shè)備向小型化數(shù)字化發(fā)展,急需數(shù)字拾音器件和技術(shù)與之配套;第二,數(shù)字設(shè)備包含的功能單元越來(lái)越多,如筆記本式計(jì)算機(jī),集成了藍(lán)牙和WiFi無(wú)線功能,傳聲器的安裝位置距離這些干擾源很近,設(shè)備對(duì)傳聲器抗干擾性能的要求越來(lái)越高;第三,隨著三網(wǎng)合一的發(fā)展,需要上網(wǎng)、視頻和語(yǔ)音傳輸可以同時(shí)進(jìn)行,這在移動(dòng)設(shè)備中通常會(huì)遇到環(huán)境背景噪聲和線路回聲的影響;第四,從提高生產(chǎn)效率的角度考慮,希望對(duì)傳聲器元件采用SMT工藝焊接組裝。數(shù)字傳聲器尤其是具有集成電路本質(zhì)的微機(jī)電( MEMS)數(shù)字傳聲器更加適合SMT焊接組裝工藝,為了解決系統(tǒng)各種射頻干擾對(duì)語(yǔ)音通信產(chǎn)生的噪聲,數(shù)字傳聲器尤其適用于通過(guò)算法編程達(dá)到陣列拾音技術(shù)的實(shí)現(xiàn),對(duì)于抑制環(huán)境背景噪聲和消除通話時(shí)的線路回聲方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì),數(shù)字傳聲器輸出接口格式同數(shù)字處理系統(tǒng)具有高度的接口兼容性。數(shù)字傳聲器的應(yīng)用見(jiàn)圖7~8.
圖7 數(shù)字傳聲器構(gòu)成的傳聲器陣列及應(yīng)用
圖8 數(shù)字傳聲器的廣泛應(yīng)用
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4 微型數(shù)字傳聲器現(xiàn)狀與發(fā)展
目前,數(shù)字傳聲器的應(yīng)用已經(jīng)日益普遍,但要取得微型傳聲器市場(chǎng)主角地位仍需時(shí)日,目前傳統(tǒng)微型傳聲器仍在市場(chǎng)中占據(jù)主流地位。2008年是全球數(shù)字傳聲器市場(chǎng)崛起之年,2008年全球傳聲器市場(chǎng)產(chǎn)量約為28億只,MEMS傳聲器產(chǎn)量約為3.3億只,其中ECM數(shù)字傳聲器產(chǎn)量據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)綜合出貨量約為l億只左右。在2009年期間,由于經(jīng)歷了全球性經(jīng)濟(jì)衰退,數(shù)字傳聲器的強(qiáng)勁成長(zhǎng)態(tài)勢(shì)出現(xiàn)了較大的減緩?! ?br />
盡管歷經(jīng)2009年的衰退,但在移動(dòng)手持裝置與其他類(lèi)似應(yīng)用的強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)下,2010年以來(lái)數(shù)字傳聲器市場(chǎng)已經(jīng)明確顯現(xiàn)出強(qiáng)勢(shì)復(fù)蘇的勢(shì)頭,數(shù)字傳聲器應(yīng)用市場(chǎng)也從以筆記本式計(jì)算機(jī)為主的市場(chǎng)擴(kuò)大至新型智能手機(jī)為主的領(lǐng)域。尤其是全球微機(jī)電(MEMS)傳聲器市場(chǎng)的強(qiáng)勢(shì)發(fā)展,可以預(yù)計(jì)數(shù)字傳聲器尤其是微機(jī)電( MEMS)數(shù)字傳聲器占據(jù)傳聲器主流市場(chǎng)的時(shí)日不會(huì)太遠(yuǎn)了?! ?br />
2010年全球微型駐極體傳聲器應(yīng)用領(lǐng)域市場(chǎng)分布見(jiàn)圖9;2007 - 2015年全球微型駐極體傳聲器銷(xiāo)量發(fā)展趨勢(shì)見(jiàn)圖10;2006 - 2013年全球微機(jī)電( MEMS)傳聲器市場(chǎng)預(yù)測(cè)見(jiàn)圖11.
圖9 2010年全球微型駐極體傳聲器應(yīng)用領(lǐng)域市場(chǎng)分布(按需求量)
圖10 2007 - 2015年全球微型駐極體傳聲器銷(xiāo)量發(fā)展趨勢(shì)(2011年后為預(yù)測(cè))
近期美國(guó)iSuppli發(fā)表預(yù)測(cè)稱,2013年全球微機(jī)電( MEMS)傳聲器市場(chǎng)將擴(kuò)大至12億只的規(guī)模。而原先2009年9月的預(yù)測(cè)為,"2013年將從2008年的約3億只擴(kuò)大至11億只".與原來(lái)的預(yù)測(cè)相比,2013年的預(yù)測(cè)值增加了1億只。此次上調(diào)預(yù)測(cè)的根據(jù)如下:以美國(guó)谷歌的智能手機(jī)"Nexus One"和摩托羅拉的手機(jī)"DROID"采用消除周?chē)肼暤闹鲃?dòng)降噪(Active Noise Cancel)功能為契機(jī),預(yù)計(jì)微機(jī)電(MEMS)傳聲器面向手機(jī)市場(chǎng)的用途將迅速擴(kuò)大
其具體理由如下:
(1)為了實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪功能,Nexus One和DROID配備了2只以上的微機(jī)電(MEMS)傳聲器和專(zhuān)用噪聲控制大規(guī)模集成芯片( LSI)?! ?br />
(2)作為面向主動(dòng)降噪功能的的傳聲器,微機(jī)電( MEMS)傳聲器相對(duì)于現(xiàn)有的駐極體傳聲器(Electret Condenser Microphone)具有優(yōu)勢(shì)。原因是,微機(jī)電( MEMS)傳聲器尺寸小、靈敏度高、信噪比高、與數(shù)字信號(hào)處理器( DSP)具有較高的適應(yīng)性?! ?br />
(3)另外,頭戴式耳機(jī)也越來(lái)越多地采用主動(dòng)降噪功能。芬蘭諾基亞2009年2月發(fā)布了使用10只微機(jī)電( MEMS)傳聲器、配備有主動(dòng)降噪功能的頭戴式耳機(jī)。該主動(dòng)降噪功能由諾基亞和英國(guó)歐勝微電子(Wolfson Microelectronics)共同開(kāi)發(fā)。索尼也發(fā)布了可將周?chē)肼曌畲蠼档?9%的頭戴式耳機(jī)?! ?br />
除手機(jī)以外的其他產(chǎn)品也越來(lái)越多地配備微機(jī)電(MEMS)傳聲器。iSuppli稱進(jìn)行拆解時(shí)發(fā)現(xiàn),美國(guó)蘋(píng)果帶視頻拍攝功能的"iPod nano"配備有美國(guó)模擬器件公司的微機(jī)電( MEMS)傳聲器。此外,筆記本式計(jì)算機(jī)中配備兩只微機(jī)電( MEMS)傳聲器的產(chǎn)品不斷增多。
圖11 美國(guó)iSuppli發(fā)布的全球微機(jī)電(MEMS)傳聲器市場(chǎng)預(yù)測(cè)
5 結(jié)束語(yǔ)
微型傳聲器作為電聲器件領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,是一支具有強(qiáng)大生命力的生力軍。自20世紀(jì)70年代末駐極體電容傳聲器( ECM)引入中國(guó)以來(lái),其應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛與產(chǎn)量的激增,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了任何人的預(yù)期與規(guī)劃,消費(fèi)領(lǐng)域數(shù)碼產(chǎn)品層出不窮地更新?lián)Q代,更加說(shuō)明微型傳聲器尤其是微型數(shù)字傳聲器的市場(chǎng)前景是不可忽視的,相對(duì)于認(rèn)為微型傳聲器已經(jīng)沒(méi)有什么發(fā)展前景的悲觀論點(diǎn),筆者卻持有樂(lè)觀論點(diǎn)。只要人類(lèi)需要歌唱、對(duì)話與交流,只要人類(lèi)不斷創(chuàng)造夢(mèng)想的激情不會(huì)消失,傳聲器將永遠(yuǎn)是人類(lèi)聲音的忠實(shí)代言者。