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MEMS麥克風(fēng)在語音激活設(shè)計(jì)中如何輔助聲音檢測和關(guān)鍵詞識(shí)別
發(fā)布時(shí)間:2020-06-11 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】隨著用戶越來越依賴語音作為用戶界面,設(shè)計(jì)人員面臨著多重挑戰(zhàn),既要以盡可能小的功耗和響應(yīng)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)最準(zhǔn)確、最可靠的用戶語音界面 (VUI),又要滿足更緊湊的空間、更低的成本預(yù)算并縮短設(shè)計(jì)進(jìn)度的要求。
隨著用戶越來越依賴語音作為用戶界面,設(shè)計(jì)人員面臨著多重挑戰(zhàn),既要以盡可能小的功耗和響應(yīng)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)最準(zhǔn)確、最可靠的用戶語音界面 (VUI),又要滿足更緊湊的空間、更低的成本預(yù)算并縮短設(shè)計(jì)進(jìn)度的要求。為了幫助設(shè)計(jì)人員達(dá)到這些目標(biāo),多家供應(yīng)商推出了一種先進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 麥克風(fēng),這種麥克風(fēng)具有多個(gè)性能特征,有助于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的喚醒詞檢測和 VUI 語音指令處理。
MEMS 麥克風(fēng)(也稱為硅麥克風(fēng))已普遍在智能手機(jī)、智能手表、無線耳塞、汽車、智能電視以及遙控器中使用。這在很大程度上歸功于大獲成功的個(gè)人語音助手(例如亞馬遜的 Alexa、谷歌語音助手和蘋果的 Siri)。這些助手會(huì)收聽特定的語音指令,使用喚醒詞識(shí)別算法從周圍環(huán)境中提取語音指令。設(shè)計(jì)人員的訣竅是:以經(jīng)濟(jì)高效地的方式快速實(shí)現(xiàn)這種提取功能,同時(shí)盡管存在環(huán)境噪聲,也要提高可靠性、準(zhǔn)確性和遠(yuǎn)場語音采集能力。
本文將討論影響 VUI 設(shè)計(jì)的 MEMS 麥克風(fēng)的關(guān)鍵特性,包括信噪比 (SNR)、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度和啟動(dòng)時(shí)間。然后介紹來自 TDK InvenSense、CUI Devices、STMicroelectronics 和 Vesper Technologies 的硬件和軟件解決方案,并展示如何將其應(yīng)用于語音激活設(shè)計(jì)中。
MEMS 麥克風(fēng)如何工作
一個(gè) MEMS 麥克風(fēng)封裝中通常包含兩個(gè)組件:將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的 MEMS 膜,以及用作阻抗轉(zhuǎn)換器向音頻信號(hào)鏈提供可用模擬輸出的放大器。如果需要數(shù)字輸出,還可在其芯片上再集成一個(gè)組件——模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。
圖 1:MEMS 麥克風(fēng)的基本結(jié)構(gòu)顯示了其兩個(gè)關(guān)鍵構(gòu)建塊:MEMS 變動(dòng)器和信號(hào)處理鏈(位于 ASIC 中)。(圖片來源:CUI Devices)
除了支持具有模擬或數(shù)字輸出的微型麥克風(fēng)外,MEMS 技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了出色的相位匹配和漂移性能。
MEMS 麥克風(fēng)的關(guān)鍵特性
對(duì)于語音控制設(shè)備設(shè)計(jì)人員而言,需要在 MEMS 麥克風(fēng)中查找的關(guān)鍵參數(shù)如下:
• 信噪比 (SNR):這是參考信號(hào)電平與麥克風(fēng)輸出信號(hào)的噪聲電平之比。SNR 測量值包括麥克風(fēng)元件和 MEMS 麥克風(fēng)封裝中集成的任何其他設(shè)備(例如 IC)產(chǎn)生的噪聲。
靈敏度:響應(yīng) 1千赫 (kHz) 正弦波時(shí)的模擬或數(shù)字輸出值,其聲壓級(jí) (SPL) 為 94 分貝 (dB) 或1 帕斯卡 (Pa),后者為壓力測量值。
• 靈敏度公差:任何給定的單只麥克風(fēng)的靈敏度范圍。嚴(yán)格的靈敏度公差可在使用多個(gè)麥克風(fēng)時(shí)確保一致性。
• 動(dòng)態(tài)范圍:麥克風(fēng)線性響應(yīng)的最大和最小聲壓級(jí)的差異測量。
• 頻率響應(yīng):麥克風(fēng)能夠工作的頻率范圍。
• 啟動(dòng)時(shí)間:響應(yīng)觸發(fā)事件時(shí)麥克風(fēng)被喚醒并輸出有效信號(hào)的速度。
諸如遙控器、電視和智能揚(yáng)聲器之類的語音控制設(shè)備通常工作在高環(huán)境噪聲下。同樣,在遠(yuǎn)場操作中,用戶可能在附近或距離 1 至 10 米 (m) 的地方。這些情況使麥克風(fēng)的動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度和 SNR 變得如此重要。在陣列中使用多個(gè)麥克風(fēng)的應(yīng)用中,靈敏度公差至關(guān)重要。
雖然可以規(guī)定每個(gè)麥克風(fēng)具有一定的靈敏度水平,但細(xì)微的結(jié)構(gòu)變化可能會(huì)導(dǎo)致各種變更。但是,由于 MEMS 麥克風(fēng)是使用嚴(yán)格控制的半導(dǎo)體制造工藝開發(fā),因此具有匹配嚴(yán)格的靈敏度公差,這是任何麥克風(fēng)陣列進(jìn)行有效數(shù)據(jù)處理所需的(圖 2)。
圖 2:陣列中使用的麥克風(fēng)必須嚴(yán)格匹配才能實(shí)現(xiàn)所需的信號(hào)處理性能。(圖片來源:CUI Devices)
為使支持 VUI 的設(shè)計(jì)能越來越多地采用麥克風(fēng)陣列,緊公差的輔助作用極其重要。在麥克風(fēng)陣列中,由兩個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)收集信號(hào),然后在組合信號(hào)并形成合成信號(hào)之前,分別處理來自每個(gè)麥克風(fēng)的信號(hào)(放大、延遲或?yàn)V波)。在麥克風(fēng)陣列中,可以使用多個(gè)輸入來確定方向響應(yīng)(也稱為波束形成),以濾除不需要的噪聲;與此同時(shí),重點(diǎn)關(guān)注在來自更期望的方向上的聲音。
MEMS 麥克風(fēng)的啟動(dòng)時(shí)間對(duì)于捕獲全部關(guān)鍵詞并確保其準(zhǔn)確性也至關(guān)重要。為了節(jié)電,支持 VUI 的設(shè)備保持低功耗狀態(tài);但是,如果麥克風(fēng)響應(yīng)喚醒觸發(fā)的啟動(dòng)時(shí)間短,則會(huì)影響 VUI 喚醒時(shí)間,進(jìn)而影響喚醒詞檢測性能以及功耗。
只要在選擇麥克風(fēng)時(shí)考慮到這些特性,那么在具有高環(huán)境噪聲或者用戶遠(yuǎn)距離講話,或者這兩種情形都存在的情況下,后續(xù)的語音處理算法便能夠更好地執(zhí)行用戶語音提取功能。
模擬與數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)接口
正如有關(guān) MEMS 麥克風(fēng)工作原理的部分所述,MEMS 麥克風(fēng)輸出可以采用模擬或者數(shù)字形式。模擬 MEMS 麥克風(fēng)使用內(nèi)部放大器將麥克風(fēng)的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)至具有低輸出阻抗的合理高電平。這提供了一個(gè)連接音頻處理器的直接接口。對(duì)于 VUI,設(shè)計(jì)人員需要確保相關(guān)處理器具有板載 ADC,或者設(shè)計(jì)人員能夠選擇 ADC 以滿足其特定要求。后者會(huì)增加復(fù)雜性和成本。
借助數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng),麥克風(fēng)輸出可直接應(yīng)用于通常的微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 的數(shù)字電路。用于電噪聲環(huán)境的 VUI 設(shè)計(jì)更傾向于數(shù)字麥克風(fēng),因?yàn)榕c模擬輸出信號(hào)相比,數(shù)字輸出信號(hào)具有更高的抗噪能力。
此外,數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)通常采用脈沖密度調(diào)制 (PDM) 將模擬信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換為包含相應(yīng)密度的邏輯高信號(hào)的單比特?cái)?shù)字流。這樣可以進(jìn)一步抵御射頻干擾 (RFI) 和電磁干擾 (EMI)。這對(duì)于大型麥克風(fēng)陣列和諸如支持語音的車輛信息娛樂系統(tǒng)之類的實(shí)際大型系統(tǒng)尤其重要。
關(guān)于靈敏度,就模擬麥克風(fēng)而言,是采用以分貝為單位的聲壓級(jí)相對(duì)于 1 伏 (dB/V) 進(jìn)行測量的。對(duì)于數(shù)字麥克風(fēng),通常以相對(duì)于滿刻度分貝值為單位進(jìn)行測量 (dB FS) 。
VUI 的 MEMS 麥克風(fēng)解決方案
TDK InvenSense 的 ICS-40740 模擬 MEMS 麥克風(fēng)滿足了 VUI 應(yīng)用的許多關(guān)鍵麥克風(fēng)性能要求。該器件包含一個(gè) MEMS 麥克風(fēng)元件、一個(gè)阻抗轉(zhuǎn)換器和一個(gè)差分輸出放大器,采用小型 4.00 x 3.00 x 1.20 毫米 (mm) 的表面貼裝封裝。該器件采用 1.5 伏電源供電,工作時(shí)僅消耗 165 微安 (µA) 電流(圖 3)。
圖 3:ICS-40740 模擬 MEMS 麥克風(fēng)滿足智能揚(yáng)聲器和可穿戴設(shè)備(例如降噪耳機(jī))的尺寸和功率預(yù)算要求。(圖片來源: TDK InvenSense)
該器件的 SNR 為 70 dBA(A 加權(quán)分貝),并與 108.5 dB 的寬動(dòng)態(tài)范圍相耦合,即使在高環(huán)境噪聲和遠(yuǎn)場條件下也能檢測到語音信號(hào)。此外,該器件具有 80 赫茲 (Hz) 到 20 kHz 的寬工作頻率響應(yīng)范圍,132.5 dB 的線性響應(yīng)性能和 ±1 dB 靈敏度公差。后者使其對(duì)于麥克風(fēng)陣列非常有用。
ICS-40740 的封裝小、功耗低,使其適用于圍繞智能揚(yáng)聲器和諸如降噪耳機(jī)等可穿戴設(shè)備構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用程序。
Vesper Technologies 的 VM3000 是一款全向、底部端口壓電式數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng),具有不到 200 微秒 (µs) 的超快速啟動(dòng)時(shí)間,使其被快速喚醒,足以捕獲完整的喚醒詞(圖4)。
圖4:VM3000 壓電式數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)具有不到 200 µs 的超快速啟動(dòng)時(shí)間,使其能夠足被快速喚醒,足以捕獲完整的喚醒詞。(圖片來源:Vesper Technologies)
在壓電式 MEMS 麥克風(fēng)中,當(dāng)聲波撞擊壓電懸臂時(shí),將使懸臂移動(dòng)并產(chǎn)生電壓。該電壓由一個(gè)功耗非常低的比較器電路檢測,該電路會(huì)將喚醒信號(hào)發(fā)送到音頻系統(tǒng)。
由于壓電式 MEMS 麥克風(fēng)不需要偏置電壓,因此 VM3000 在被喚醒詞指令啟動(dòng)前幾乎無功耗。而且,這種麥克風(fēng)僅需 0.35 µA 電流即可保持休眠模式,并且能夠在不到 100 µs 的時(shí)間內(nèi)切換到性能模式。超低功耗休眠模式與快速模式切換相結(jié)合,還能確保在喚醒音頻設(shè)備時(shí)不會(huì)丟失任何信息。
VM3000 數(shù)字麥克風(fēng)幾乎可以與任何音頻芯片配對(duì),其輸出特點(diǎn)是在一條數(shù)據(jù)線上復(fù)用兩個(gè)麥克風(fēng)。該麥克風(fēng)在 1 kHz 信號(hào)下的典型 SNR 為 63 dB,具有 122 dB SPL 聲學(xué)過載點(diǎn) (AOP)。
VM3000 采用 3.5 x 2.65 x 1.3 mm 封裝,并通過集成 ADC 節(jié)省物料清單 (BOM)。此外,VM3000 使用單層壓電晶體,使其不受靈敏度漂移的影響,并可防止灰塵、水、濕氣和其他環(huán)境顆粒的侵害。
諸如 VM3000 之類的壓電式 MEMS 麥克風(fēng)無需使用保護(hù)網(wǎng)或薄膜覆蓋多個(gè)麥克風(fēng),從而簡化了陣列的音頻設(shè)計(jì)。如保護(hù)網(wǎng)或保護(hù)膜等為防止受環(huán)境污染而覆蓋聲學(xué)孔的保護(hù)元件,可導(dǎo)致 MEMS 麥克風(fēng)靈敏度下降。
VM3000 也相對(duì)容易實(shí)現(xiàn),因?yàn)樗梢灾迸c CODEC 或其他處理器連接(圖 5)。主系統(tǒng)(CODEC 等)提供主時(shí)鐘 CLK,該時(shí)鐘定義了 DATA 線上的比特速率。
圖5:VM3000 可以直接與外部處理器連接,并且可將兩個(gè)麥克風(fēng)連接到一條 DATA 線上。(圖片來源:Vesper Technologies)
有趣的是,兩個(gè)麥克風(fēng)可以通過一條 DATA 線連接。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)是在由 L/R Select 引腳定義的時(shí)鐘 (CLK) 上升沿或下降沿設(shè)置的,而 L/R Select = GND(頂部)在時(shí)鐘下降沿設(shè)置數(shù)據(jù),L/R Select = VDD(底部)在時(shí)鐘上升沿設(shè)置數(shù)據(jù)。然后,CODEC 或處理器可以根據(jù)比特流與 CLK 邊沿的對(duì)齊方式將其分離。
入門:MEMS 麥克風(fēng)評(píng)估套件
為了評(píng)估關(guān)鍵參數(shù)并簡化使用 MEMS 麥克風(fēng)的音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì),供應(yīng)商提供了參考板和軟件開發(fā)套件。例如,Vesper 提供了 S-VM3000-C 評(píng)估板,其中包括一個(gè) VM3000 數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)和一個(gè) 0.1 微法拉 (µF) 的電源旁路電容器以及一個(gè)邊緣連接器。
同樣,TDK InvenSense 為其 ICS-40740 模擬 MEMS 傳感器提供 EV_ICS-40740-FX 評(píng)估板,可讓設(shè)計(jì)人員快速、高效地分析差分模擬輸出麥克風(fēng)的性能。除 MEMS 麥克風(fēng)外,該開發(fā)套件唯一的其他組件便是 0.1 µF 電源旁路電容器。
CUI Devices 同時(shí)提供模擬和數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng),其 DEVKIT-MEMS-001 開發(fā)套件用于原型開發(fā)和測試(圖 6)。該評(píng)估板有四個(gè)獨(dú)立的麥克風(fēng)評(píng)估電路。
圖 6:DEVKIT-MEMS-001 有四個(gè)可拆卸麥克風(fēng)評(píng)估電路:其中兩個(gè)用于模擬輸出,另兩個(gè)用于數(shù)字輸出。(圖片來源:CUI Devices)
該評(píng)估板上有兩個(gè)模擬 MEMS 麥克風(fēng):底部音孔 CMM-2718AB-38308-TR 和頂部音孔 CMM-2718AT-42308-TR;兩個(gè)數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng):底部音孔 CMM-4030DB-26354-TR 和頂部音孔 CMM-4030DT-26354-TR。頂部和底部音孔用于模擬和數(shù)字輸出麥克風(fēng),以提高設(shè)計(jì)靈活性。
比較這兩個(gè)模擬設(shè)備,CMM-2718AB-38308-TR 的靈敏度為 -38 dB,SNR 為 65 dBA。CM-2718AT-43208-TR 的靈敏度為 -42 dB,SNR 為 60 dBA。兩者的頻率范圍均為 100 Hz 至 10 kHz,并從 2 V 電源軌汲取 80 µA 電流。
對(duì)于兩個(gè)數(shù)字麥克風(fēng),CMM-4030DB-26354-TR 的靈敏度為 -26 dB FS,SNR 為 64 dBA。CMM-4030DT-26354-TR 的靈敏度為 -26 dB FS,SNR 為 65 dBA。兩者均使用 1 位 PDM 數(shù)據(jù)格式,在 100 Hz 至 10 kHz 頻率范圍內(nèi)工作,并從 2 V 電源汲取 0.54 毫安 (mA) 電流。
總結(jié)
通過仔細(xì)研究 MEMS 麥克風(fēng)(模擬和數(shù)字),可以發(fā)現(xiàn)其系統(tǒng)級(jí)性能優(yōu)勢,以及它們?nèi)绾螌?duì)始終開啟的語音接口設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)充。最新的 MEMS 麥克風(fēng)采用新穎的技術(shù)來延長電池壽命,改善遠(yuǎn)場音頻質(zhì)量并能抵御環(huán)境污染。提高關(guān)鍵詞的準(zhǔn)確性是另一個(gè)主要的設(shè)計(jì)考慮因素,它與 SNR、靈敏度容差和啟動(dòng)時(shí)間等參數(shù)密切相關(guān)。所有這些都已在最新設(shè)備中得到解決,能更好地適應(yīng) VUI 設(shè)計(jì)。
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
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