MEMS 麥克風(fēng)波束成形簡(jiǎn)介

在語音交互系統(tǒng)和專業(yè) AV 設(shè)備等要求定向響應(yīng)的應(yīng)用中，使用多個(gè) MEMS 麥克風(fēng)組成波束成形陣列，可充分發(fā)揮這些低功耗、高性價(jià)比小巧設(shè)備的固有優(yōu)勢(shì)。

麥克風(fēng)與方向性

MEMS 麥克風(fēng)堅(jiān)固耐用、性價(jià)比高，由于尺寸小巧且功耗低，幾乎可以集成到任何應(yīng)用中。這類麥克風(fēng)具有全向響應(yīng)，對(duì)來自任何方向的聲音具有相同的靈敏度。這樣的特性適合于某些應(yīng)用，例如需要固定麥克風(fēng)來捕捉來自不確定方向或移動(dòng)聲源的聲音。然而另一方面，全向性允許環(huán)境聲音或雜聲與主聲源競(jìng)爭(zhēng)，可能導(dǎo)致音頻不清晰或難以分辨。

波束成形陣列若包含多個(gè) MEMS 麥克風(fēng)，則可以通過增強(qiáng)某一方向的聲音并衰減其他方向的聲音來克服這一問題。該方法將麥克風(fēng)信號(hào)疊加，借由延遲插入、放大和濾波等信號(hào)處理技術(shù)，最大限度地減弱雜聲信號(hào)。來自有用音頻信源的信號(hào)相干疊加，而雜聲信號(hào)非相干疊加，因此相對(duì)于主信號(hào)，雜音信號(hào)衰減。該方法如圖 1 所示。使用精心設(shè)計(jì)的基本雙麥克風(fēng)陣列，信號(hào)處理就變得相當(dāng)簡(jiǎn)單。

圖 1：波束成形麥克風(fēng)陣列可相對(duì)于背景噪聲增強(qiáng)有用信號(hào)。（圖片來源： CUI Inc.）

基本波束成形陣列最少只需兩個(gè)麥克風(fēng)，形成單軸樂器。通過適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理可以構(gòu)建寬邊陣列，最大限度地放大來自陣列側(cè)邊、垂直于雙麥克風(fēng)軸線的聲音信號(hào)?；蛘撸ㄟ^優(yōu)化聲音沿麥克風(fēng)軸線傳播的方向性來構(gòu)建端射陣列。

無論哪種陣列，麥克風(fēng)的靈敏度和頻率響應(yīng)都必須高度匹配。所幸，MEMS 麥克風(fēng)的制造過程采用晶圓級(jí)制造工藝，這也是這類麥克風(fēng)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

寬邊陣列

寬邊陣列如圖 2 所示。來自有用聲源方向的聲音同時(shí)到達(dá)兩個(gè)麥克風(fēng)，輸出信號(hào)疊加產(chǎn)生較大幅度的信號(hào)。來自其他角度的聲音信號(hào)疊加效果不明顯。

實(shí)際上，寬邊陣列對(duì)于來自主軸兩側(cè)的聲音同樣敏感。因此，寬邊陣列常用于后方或上下方雜聲較少或沒有的應(yīng)用。典型應(yīng)用是電視或電腦顯示器的語音交互支持。在該應(yīng)用中，用戶通常位于屏幕正前方，而房間中的環(huán)境聲音大多來自側(cè)邊，而非后方或上方。麥克風(fēng)陣列可內(nèi)置于屏幕外殼中，以此實(shí)現(xiàn)自然的寬邊方向，既方便又隱蔽。

圖 2： 寬邊陣列對(duì)垂直于麥克風(fēng)軸線的聲源最為敏感。（圖片來源： CUI Inc.）

端射陣列

若要衰減來自麥克風(fēng)后方或側(cè)邊的音頻源信號(hào)，可使用端射陣列，最大限度地減弱這些信號(hào)的同時(shí)，增強(qiáng)來自陣列正前方的聲音信號(hào)（圖 3）。

圖 3： 端射陣列可以隔離來自麥克風(fēng)正前方的聲音。（圖片來源： CUI Inc.）

如圖所示，有用聲音到達(dá)第一個(gè)麥克風(fēng)，然后傳播已知距離到達(dá)第二個(gè)麥克風(fēng)。使用信號(hào)處理補(bǔ)償已知的延遲，再將兩個(gè)信號(hào)疊加產(chǎn)生幅度較大的信號(hào)。來自陣列后方或軸線側(cè)邊的聲音信號(hào)疊加，產(chǎn)生的信號(hào)幅度就小得多。

端射陣列的典型應(yīng)用包括用于電視或收音機(jī)的手持式麥克風(fēng)。該應(yīng)用具有指向性聲源（如主持人或發(fā)言人），需清晰捕捉發(fā)言人的聲音并消除背景噪聲。發(fā)燒友公眾號(hào)回復(fù)資料可以免費(fèi)獲取電子資料一份記得留郵箱地址。

圓形和球形陣列

例如，四個(gè)或更多麥克風(fēng)放置于圓周（圖 4）或呈球形排列，組成波束成形陣列，所提供的信號(hào)可采用更復(fù)雜的信號(hào)處理算法來確定接收聲音來源的方向。這種類型的陣列可用于情報(bào)收集等目的，包括在軍事或執(zhí)法應(yīng)用中識(shí)別槍聲的來源。下圖中，數(shù)字信號(hào)處理用于識(shí)別槍聲和計(jì)算方向以幫助確定聲源。

圖 4： 較大的陣列可以支持聲源定位等復(fù)雜功能。（圖片來源： CUI Inc.）

總結(jié)

MEMS 麥克風(fēng)具有全向響應(yīng)，適用于各種應(yīng)用，特別是優(yōu)先高性價(jià)比、高可靠性、小尺寸和低功耗的設(shè)計(jì)。這類麥克風(fēng)采用半導(dǎo)體制造工藝，因此靈敏度和頻率響應(yīng)等參數(shù)可高度匹配，而這正是構(gòu)建波束成形陣列的重要要求。

在要求定向響應(yīng)的應(yīng)用中使用波束成形，可充分發(fā)揮 MEMS 麥克風(fēng)的優(yōu)勢(shì)。一個(gè)陣列可包含兩個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)，對(duì)各麥克風(fēng)輸出進(jìn)行信號(hào)處理即可實(shí)現(xiàn)所需的定向響應(yīng)?；九渲冒▽掃呹嚵泻投松潢嚵校@些陣列的信號(hào)處理功能相對(duì)簡(jiǎn)單。更復(fù)雜的陣列包括：用于確定聲源方向的圓形或球形陣列；或者包含麥克風(fēng)數(shù)量從幾個(gè)到幾百個(gè)的陣列，可用于研究或安全監(jiān)視等應(yīng)用。