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模擬麥克風(fēng)與數(shù)字麥克風(fēng)在靈敏度規(guī)格方面的差異

發(fā)布時(shí)間:2020-03-18 來源:Jerad Lewis 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】靈敏度,即模擬輸出電壓或數(shù)字輸出值與輸入壓力之比,對任何麥克風(fēng)來說都是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。在輸入已知的情況下,從聲域單元到電域單元的映射決定麥克風(fēng)輸出信號的幅度。
 
本文將探討模擬麥克風(fēng)與數(shù)字麥克風(fēng)在靈敏度規(guī)格方面的差異,如何根據(jù)具體應(yīng)用選擇靈敏度最佳的麥克風(fēng),同時(shí)還會討論為什么增加一位(或更多)數(shù)字增益可以增強(qiáng)麥克風(fēng)信號。
 
模擬與數(shù)字
 
麥克風(fēng)靈敏度一般在94 dB的聲壓級(SPL)(或者1帕(Pa)壓力)下,用1 kHz正弦波進(jìn)行測量。麥克風(fēng)在該輸入激勵(lì)下的模擬或數(shù)字輸出信號幅度即是衡量麥克風(fēng)靈敏度。該基準(zhǔn)點(diǎn)只是麥克風(fēng)的特性之一,并不代表麥克風(fēng)性能的全部。
 
模擬麥克風(fēng)的靈敏度很簡單,不難理解。該指標(biāo)一般表示為對數(shù)單位dBV(相對于1 V的分貝數(shù)),代表著給定SPL下輸出信號的伏特?cái)?shù)。對于模擬麥克風(fēng),靈敏度(表示為線性單位mV/Pa)可以用對數(shù)表示為分貝:
 
http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80037873
 
其中OutputAREF為 1000 mV/Pa (1 V/Pa)參考輸出比。
 
有了該信息和正確的前置放大器增益,則可輕松將麥克風(fēng)信號電平匹配至電路或系統(tǒng)其他部分的目標(biāo)輸入電平。圖1顯示了如何設(shè)置麥克風(fēng)的峰值輸出電壓 (VMAX) 以匹配ADC的滿量程輸入電壓 (VIN) 其增益為 VIN/VMAX。 例如,以4 (12 dB)的增益,可將一個(gè)最大輸出電壓為0。25 V的ADMP504匹配至一個(gè)滿量程峰值輸入電壓為1。0 V的ADC。
 
http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80037873
圖1.模擬麥克風(fēng)輸入信號鏈,以前置放大器使麥克風(fēng)輸出電平與ADC輸入電平相匹配
 
數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度(單位為dBFS,相對于數(shù)字滿量程的分貝數(shù))則并非如此簡單。單位的差異表明,數(shù)字麥克風(fēng)與模擬麥克風(fēng)的靈敏度在定義上存在細(xì)微差異。對于提供電壓輸出的模擬麥克風(fēng),輸出信號大小的唯一限制實(shí)際上是系統(tǒng)電源電壓的限制。雖然對多數(shù)設(shè)計(jì)來說并不實(shí)用,但從物理本質(zhì)上講,模擬麥克風(fēng)完全可以擁有20 dBV的靈敏度,其中用于基準(zhǔn)電平輸入信號的輸出信號為10 V。只要放大器、轉(zhuǎn)換器和其他電路能支持所需的信號電平,完全可以實(shí)現(xiàn)這一水平的靈敏度。
 
數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度沒有這樣靈活,而只取決于一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù),即,最大聲學(xué)輸入。只要將滿量程數(shù)字字映射到麥克風(fēng)的最大聲學(xué)輸入(實(shí)際上,這是唯一有用的映射),則靈敏度一定是該最大聲學(xué)信號與94 dB SPL參考信號之差。因此,如果數(shù)字麥克風(fēng)的最大SPL為120 dB,則其靈敏度為–26 dBFS (94 dB – 120 dB)。除非將最大聲學(xué)輸入降低相同的量,否則無法通過調(diào)整設(shè)計(jì)使給定聲學(xué)輸入的數(shù)字輸出信號變得更高。
 
對于數(shù)字麥克風(fēng),靈敏度表示為94 dB SPL輸入所產(chǎn)生的輸出占滿量程輸出的百分比。數(shù)字麥克風(fēng)的換算公式為
 
http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80037873
 
其中OutputDREF為滿量程數(shù)字輸出電平。
 
現(xiàn)在來比較最后一個(gè)非常難懂的地方,數(shù)字和模擬麥克風(fēng)在峰值電平和均方根電平的使用上并不一致。麥克風(fēng)的聲學(xué)輸入電平(單位為dB SPL)始終為均方根測量值,與麥克風(fēng)的類型無關(guān)。模擬麥克風(fēng)的輸出以1 V rms為參考,因?yàn)榫礁鶞y量值更常用于比較模擬音頻信號電平。然而,數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度和輸出電平卻表示為峰值電平,因?yàn)樗鼈兪且詽M量程數(shù)字字(即峰值)為參考的。一般來說,在配置可能依賴于精確信號電平的下游信號處理時(shí),必須記住用峰值電平指定數(shù)字麥克風(fēng)輸出的慣例。例如,動態(tài)范圍處理器(壓縮器、限幅器和噪聲門)通?;诰礁盘栯娖絹碓O(shè)置閾值,因此,必須通過降低dBFS值從峰值到均方根值按比例調(diào)整數(shù)字麥克風(fēng)的輸出。對于正弦輸入,其均方根電平比峰值電平低3 dB(即(FS√2)的對數(shù)測量);對于更加復(fù)雜的信號來說,均方根電平與峰值電平之間的差值可能與此不同。例如,ADMP421,提供脈沖密度調(diào)制(PDM)數(shù)字輸出的MEMS麥克風(fēng) 的靈敏度為–26 一個(gè) 94 dB SPL 正弦輸入信號將產(chǎn)生–26 dBFS的 峰值輸出電平,或–29 dBFS的均方根 電平。
 
由于數(shù)字麥克風(fēng)和模擬麥克風(fēng)的輸出采用不同的單位,因此,對兩類麥克風(fēng)進(jìn)行比較時(shí)可能會使人難以理解;但二者在聲域中卻有一個(gè)共同的測量單位,SPL。一種麥克風(fēng)可能為模擬電壓輸出,另一種為調(diào)制PDM輸出,還一種為I2S輸出,但它們的最大聲學(xué)輸入與信噪比(SNR,即94 dB SPL參考電平與噪聲電平之差)卻是可以直接比較的。以聲域而非輸出格式為參考,這兩個(gè)規(guī)格為比較不同麥克風(fēng)提供了一種便利的方式。圖2顯示了給定靈敏度下,模擬麥克風(fēng)和數(shù)字麥克風(fēng)的聲學(xué)輸入信號與輸出電平之間的關(guān)系。圖2(a)所示為ADMP504模擬麥克風(fēng),其靈敏度為–38 dBV,信噪比為65 dB。相對于左側(cè)的94 dB SPL基準(zhǔn)點(diǎn)改變靈敏度時(shí),結(jié)果會導(dǎo)致以下情況:向上滑動dBV輸出條將降低靈敏度,向下滑動輸出條則會提高靈敏度。
 
http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80037873
圖2.(a)將聲學(xué)輸入電平映射到電壓輸出電平(模擬麥克風(fēng)) (b)將聲學(xué)輸入電平映射到數(shù)字輸出電平(數(shù)字麥克風(fēng))
 
圖2(b)所示為ADMP521 數(shù)字麥克風(fēng),其靈敏度為-26 dBFS,信噪比為65 dB。該數(shù)字麥克風(fēng)輸入到輸出電平映射示意圖表明,調(diào)整該麥克風(fēng)的靈敏度會破壞最大聲學(xué)輸入與滿量程數(shù)字字之間的映射。與靈敏度相比,SNR、動態(tài)范圍、電源抑制比、THD等規(guī)格能更好地顯示麥克風(fēng)的性能。
 
選擇靈敏度和設(shè)置增益
 
高靈敏度麥克風(fēng)并非始終優(yōu)于低靈敏度麥克風(fēng)。雖然靈敏度可以顯示麥克風(fēng)的部分特性,但不一定能體現(xiàn)麥克風(fēng)的性能。麥克風(fēng)噪聲電平、削波點(diǎn)、失真和靈敏度之間的平衡決定了麥克風(fēng)是否適用于特定應(yīng)用。高靈敏度麥克風(fēng)在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要的前置放大器增益可能較少,但其在削波前的裕量可能少于低靈敏度麥克風(fēng)。
 
在手機(jī)等近場應(yīng)用中,麥克風(fēng)接近聲源,靈敏度較高的麥克風(fēng)更可能達(dá)到最大聲學(xué)輸入,產(chǎn)生削波現(xiàn)象,最后導(dǎo)致失真。另一方面,較高的靈敏度可能適合遠(yuǎn)場應(yīng)用(如會議電話和安保攝像頭),因?yàn)樵谶@類應(yīng)用中,隨著麥克風(fēng)與聲源之間距離的增加,聲音會被衰減。圖3顯示了麥克風(fēng)與聲源之間的距離會對SPL產(chǎn)生什么影響。與聲源的距離每增加一倍,聲學(xué)信號電平將下降6 dB(一半)。
 
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圖3.隨著與聲源距離的增加,麥克風(fēng)聲壓電平將下降
 
作為參考,圖4顯示了各種聲源的典型SPL,從安靜的錄音棚(10 dB SPL以下)到痛閾(130 dB SPL以下),痛閾指聲音給正常人帶來痛苦的點(diǎn)。麥克風(fēng)很少能整個(gè)覆蓋——甚至大致覆蓋——該范圍,因此,針對所需的SPL范圍選擇正確的麥克風(fēng)是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)決定。應(yīng)利用靈敏度規(guī)格,使麥克風(fēng)在整個(gè)目標(biāo)動態(tài)范圍內(nèi)的輸出信號電平與音頻信號鏈的常見信號電平相匹配。
 
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圖4.各種聲源的聲壓電平1
 
模擬麥克風(fēng)的靈敏度范圍較寬。有些動態(tài)麥克風(fēng)的靈敏度可能低至–70 dBV。有些電容麥克風(fēng)模塊集成前置放大器,因而具有極高的靈敏度,達(dá)到–18 dBV。多數(shù)模擬駐極體麥克風(fēng)和MEMS麥克風(fēng)的靈敏度在–46 dBV至–35 dBV(5。0 mV/Pa至17。8 mV/Pa)之間。這種水平代表著本底噪聲(ADMP504和ADMP521 MEMS麥克風(fēng)可能低至29 dB SPL)與最大聲學(xué)輸入(典型值約為120 dB SPL)之間的良好折衷。模擬麥克風(fēng)的靈敏度可以在前置放大器電路中調(diào)節(jié),該電路通常與傳感器元件一起集成在封裝中。
 
盡管數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度似乎缺乏靈活性,但可通過數(shù)字處理器中的增益輕松調(diào)節(jié)麥克風(fēng)信號的電平。對于數(shù)字增益,只要處理器的位數(shù)足以完全表示原始麥克風(fēng)信號的動態(tài)范圍,就不會導(dǎo)致信號的噪聲電平降低。在模擬設(shè)計(jì)中,每個(gè)增益級都會向信號中引入一些噪聲;需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來保證每個(gè)增益級的噪聲足夠低,以避免其注入噪聲而降低音頻信號。例如,我們可以看看ADMP441, 這是一款數(shù)字(I2S )輸出麥克風(fēng),最大SPL為120 dB(靈敏度為–26 dBFS),等效輸入噪聲為33 dB SPL(61 dB SNR)。該麥克風(fēng)的動態(tài)范圍為其能可靠重現(xiàn)的最大信號(最大SPL)與最小信號(本底噪聲)之間的差值(ADMP441為:120 dB – 33 dB = 87 dB)。該動態(tài)范圍可用一個(gè)15位數(shù)據(jù)字再現(xiàn)。當(dāng)數(shù)字字中的數(shù)據(jù)發(fā)生1位移位時(shí),信號電平會出現(xiàn)6 dB移位。因此,即便是動態(tài)范圍為98 dB的16位音頻處理器也可使用11 dB的增益或衰減,而不會影響原始動態(tài)范圍。請注意,在許多處理器中,數(shù)字麥克風(fēng)的最大聲學(xué)輸入被映射到DSP的內(nèi)部滿量程電平。在這種情況下,增加任意增益都會使動態(tài)范圍等量下降,進(jìn)而降低系統(tǒng)的削波點(diǎn)。以ADMP441為例,在一個(gè)滿量程以上無裕量的處理器中,增加4 dB的增益會導(dǎo)致系統(tǒng)對116 dB SPL的信號削波。
 
圖5所示為一個(gè)數(shù)字麥克風(fēng),其提供I2S或PDM輸出并直接與一個(gè)DSP相連。在該信號鏈中,不需要使用中間增益級,因?yàn)辂溈孙L(fēng)的峰值輸出電平已經(jīng)與DSP的滿量程輸入字相匹配。
 
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圖5.直接與一個(gè)DSP相連的數(shù)字麥克風(fēng)輸入信號鏈
 
結(jié)束語
 
本文說明了如何理解麥克風(fēng)的靈敏度規(guī)格,如何將其應(yīng)用到系統(tǒng)的增益級中,同時(shí)解釋了雖然靈敏度與SNR相關(guān),但并不像SNR一樣可以體現(xiàn)麥克風(fēng)的質(zhì)量的原因所在。無論是用模擬麥克風(fēng)還是用數(shù)字MEMS麥克風(fēng)進(jìn)行設(shè)計(jì),本文都有助于設(shè)計(jì)師選擇最適合具體應(yīng)用的麥克風(fēng),從而發(fā)揮麥克風(fēng)的最大潛能。
 
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參考電路
 
1John Eargle, “The Microphone Book,” Elsevier/Focal Press, 2004.
 
 
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