引言

 

微機電係統（MEMS）技術已在物聯網（IoT）行業得到廣泛應用
，可幫助實現各種微型、低(di)功(gong)耗(hao)傳(chuan)感(gan)器(qi)，這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)也(ye)正(zheng)在(zai)改(gai)變(bian)我(wo)們(men)與(yu)設(she)備(bei)進(jin)行(xing)交(jiao)互(hu)的(de)方(fang)式(shi)。得(de)益(yi)於(yu)這(zhe)項(xiang)創(chuang)新(xin)技(ji)術(shu)，並(bing)伴(ban)隨(sui)數(shu)字(zi)視(shi)聽(ting)通(tong)信(xin)設(she)備(bei)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)普(pu)及(ji)和(he)越(yue)來(lai)越(yue)可(ke)靠(kao)
，人(ren)們(men)用(yong)在(zai)敲(qiao)擊(ji)鍵(jian)盤(pan)
，移(yi)動(dong)定(ding)點(dian)設(she)備(bei)或(huo)操(cao)作(zuo)開(kai)關(guan)上(shang)的(de)時(shi)間(jian)也(ye)大(da)幅(fu)減(jian)少(shao)。

 

在物聯網中的MEMS傳感器中
，以MEMS麥克風最為突出
，它可為基於語音的應用提供更廣泛的可能性，能夠實現入侵者警報、智能揚聲器、車(che)內(nei)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)等(deng)設(she)計(ji)。隨(sui)著(zhe)物(wu)聯(lian)網(wang)領(ling)域(yu)成(cheng)本(ben)和(he)上(shang)市(shi)時(shi)間(jian)的(de)壓(ya)力(li)不(bu)斷(duan)增(zeng)大(da)，現(xian)成(cheng)可(ke)用(yong)的(de)高(gao)質(zhi)量(liang)數(shu)字(zi)技(ji)術(shu)對(dui)基(ji)於(yu)語(yu)音(yin)的(de)設(she)備(bei)開(kai)發(fa)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。但(dan)是(shi)，由(you)於(yu)市(shi)場(chang)最(zui)近(jin)關(guan)注(zhu)的(de)重(zhong)點(dian)放(fang)在(zai)多(duo)媒(mei)體(ti)技(ji)術(shu)，因(yin)此(ci)語(yu)音(yin)技(ji)術(shu)已(yi)被(bei)忽(hu)略(lve)
，導(dao)致(zhi)缺(que)少(shao)適(shi)用(yong)於(yu)MEMS麥克風的接口器件。

 

在本文中

，我們將看到，隨著開發廠商努力尋求利用MEMS麥克風技術帶來的巨大機遇
，MEMS麥克風接口器件的短缺情況正在發生改變。

 

MEMS技術

 

MEMS這個術語也涵蓋微製造工藝，涉及在微觀尺度內實現機械部件的移動。通過將電氣和機械組件集成到單個芯片
，MEMS技術可用於生產微型機電傳感器
，其尺寸從幾個微米到毫米級。

 

與傳統的機械傳感器相比，MEMS傳感器很容易實現大批量生產，從而具有更好的規模經濟效果
，其緊湊的尺寸
、大幅降低的功耗和更高的靈敏度使MEMS傳感器得到更廣泛采用，尤其是在物聯網領域。如今，在我們所有人都隨身攜帶的智能手機、智能手表和健身追蹤器中都采用了各種MEMS器件。例如，智能手機中的MEMS陀螺儀重量不到1毫克，其體積不到一粒沙子大小。

 

靜電傳導（Electrostatic transduction）涉及可變的電容，由於可以對微加工的矽進行摻雜以提供導電性，並且在製造過程中不需要其他材料，傳統上這種技術是MEMS傳感器中最受歡迎的類型。圖1所示為一個數字MEMS麥克風的功能框圖。傳感器元件包含一個可移動的膜片和一個固定的背板（backplate），它們之間的電容隨著聲波的氣壓導致膜片彎曲度變化。板載放大器將該電容轉換為電信號
，然後由ADC轉換為二進製數字信號。

盡管MEMS麥克風可提供模擬和數字輸出，但常見的更直接，更方便的是采用數字接口來設計和實現解決方案，從而導致數字MEMS麥克風在市場上更受歡迎。尤其是需要在惡劣或嘈雜電磁環境中工作的係統。數字MEMS麥克風采用脈衝密度調製（PDM）方式，受噪聲和串擾影響相對較小，能夠產生高度過采樣的單位（single-bit）數據流作為輸出。PDM還具有其它優勢，可以使兩個數字麥克風共享同一公共時鍾和數據線，每個麥克風都配置為在時鍾信號的不同時沿產生其輸出。

 

數字MEMS麥克風具有更高信噪比（SNR）、更低功耗和更高靈敏度
，以及出色的溫度特性，能夠以超小型封裝提供，並與表麵安裝組裝工藝完全兼容。

 

隨著越來越多的現代智能手機和其他智能設備能夠處理語言和語音指令，對高質量

，緊湊型聲音技術（包括麥克風）的需求呈現出強勁增長態勢。除智能手機之外

，MEMS麥克風也用於耳機
、筆記本電腦和助聽器、以及越來越多的IoT設備等設計，如可穿戴設備、遠程控製設備以及冰箱、空調和服務機器人等家用電器。

 

麥mai克ke風feng本ben身shen在zai智zhi能neng設she備bei中zhong的de價jia值zhi有you限xian，最zui終zhong其qi輸shu出chu信xin號hao必bi須xu經jing過guo進jin一yi步bu處chu理li才cai能neng被bei係xi統tong控kong製zhi器qi分fen析xi，因yin此ci具ju體ti應ying用yong的de開kai發fa人ren員yuan必bi須xu選xuan擇ze合he適shi的de接jie口kou器qi件jian。

 

下一代語音編解碼器

 

與麥克風的接口長期以來一直由語音編解碼器實現
，但傳統的編解碼器被設計為與駐極體麥克風兼容，而不兼容現代數字MEMS麥克風。之前的語音編解碼器缺少與MEMS麥克風端接所需的許多功能，其中包括抽取濾波（decimation filtering）


，其作用是將PDM轉換為PCM格式以便進一步處理。此外，在包括揚聲器和麥克風陣列在內的許多應用中，具有更高效率的D類放大器已成為任何MEMS麥克風接口的重要組成部分。

 

在(zai)智(zhi)能(neng)電(dian)話(hua)和(he)平(ping)板(ban)電(dian)腦(nao)市(shi)場(chang)興(xing)起(qi)的(de)推(tui)動(dong)下(xia)，最(zui)近(jin)業(ye)界(jie)關(guan)注(zhu)的(de)編(bian)解(jie)碼(ma)器(qi)開(kai)發(fa)優(you)先(xian)考(kao)慮(lv)多(duo)媒(mei)體(ti)應(ying)用(yong)
，這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)並(bing)非(fei)是(shi)專(zhuan)門(men)針(zhen)對(dui)語(yu)音(yin)應(ying)用(yong)要(yao)求(qiu)而(er)開(kai)發(fa)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。因(yin)而(er)
，這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)導(dao)致(zhi)出(chu)現(xian)了(le)最(zui)新(xin)語(yu)音(yin)編(bian)解(jie)碼(ma)器(qi)市(shi)場(chang)的(de)空(kong)白(bai)，可(ke)能(neng)使(shi)應(ying)用(yong)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)在(zai)現(xian)有(you)器(qi)件(jian)基(ji)礎(chu)上(shang)添(tian)加(jia)額(e)外(wai)的(de)電(dian)路(lu)。

 

幸(xing)運(yun)的(de)是(shi)，一(yi)些(xie)元(yuan)器(qi)件(jian)製(zhi)造(zao)商(shang)已(yi)經(jing)意(yi)識(shi)到(dao)市(shi)場(chang)對(dui)下(xia)一(yi)代(dai)語(yu)音(yin)編(bian)解(jie)碼(ma)器(qi)的(de)需(xu)求(qiu)，並(bing)把(ba)更(geng)多(duo)的(de)功(gong)能(neng)集(ji)成(cheng)到(dao)小(xiao)型(xing)，低(di)成(cheng)本(ben)器(qi)件(jian)中(zhong)，且(qie)具(ju)有(you)與(yu)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)設(she)備(bei)適(shi)應(ying)的(de)高(gao)能(neng)效(xiao)水(shui)平(ping)。

 

新一代語音編解碼器的一個典型示例是CML Microcircuits的CMX655D，如圖2所示。CMX655D是一款超低功耗語音編解碼器，它支持最新的MEMS麥克風技術，專為始終在線的數字語音應用而設計。CMX655D具有超低功耗，在立體聲錄音模式下通常隻消耗500µA的電流

，而在低功耗聆聽模式下所消耗的電流則更少，因此非常適合電池供電設備。該芯片支持普通電話（300Hz～3.4kHz）和高清語音（50Hz～7kHz）的常用帶寬，以及50Hz～20kHz的全音頻模式。

 

此外，通過與兩個麥克風同時連接，並在整個設備上保持相同的兩條路徑相位匹配
，該器件還能夠實現外部噪聲消除。CMX655D封裝還包括一個集成式高效D類揚聲器驅動器，可提供高達1W的輸出。包括通用DSP在內的其他同類器件通常不提供該項功能
，因此需要額外的外部IC。

 

圖2：CMX655D語音編解碼器簡化功能框圖。

 

通過選擇諸如CM655D之類的語音編解碼器，開發人員能夠簡化硬件設計任務，並可將功能齊全的MEMSmaikefengxitongqingsongjichengdaotedingyingyong。jinguanqijiandexuanzeduiyujiangdikaifachengbenhesuoduanshangshishijianzhiguanzhongyao，danzhebingbushixuanzejiejuefanganshiyaokaolvdeweiyiyinsu。zaichangshijichengrenheqijianshi，kaifahuanjingshifeichangguanjiandeyinsu，youqizaijingzhengjiliedewulianwangshichang
，qijiandexuanzezaihendachengdushangxuyaokaolvzhichigongjutaojiandegongneng、易用性和經濟性。

 

開源開發工具包

 

許xu多duo製zhi造zao商shang都dou在zai提ti供gong定ding製zhi的de硬ying件jian和he軟ruan件jian開kai發fa套tao件jian來lai支zhi持chi其qi設she備bei，但dan是shi，由you於yu縮suo短duan開kai發fa時shi間jian和he降jiang低di成cheng本ben在zai物wu聯lian網wang領ling域yu極ji其qi重zhong要yao，因yin此ci開kai發fa人ren員yuan越yue來lai越yue多duo地di選xuan擇ze開kai源yuan方fang案an。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，諸zhu如ruRaspberry Pi（RPi）之類的係統已經不再局限於開發愛好者和教育領域，進而成為專業工程師的實用工具。

 

2014年發布的RPi Model B+引入了頂部硬件連接（HAT）接口
，從而使第三方硬件更容易直接嵌入RPi基礎架構（見圖3所示）。這項強大的功能，再加上RPi基於Linux的操作係統，可實現快速開發、測ce試shi和he原yuan型xing製zhi作zuo
，從cong而er幫bang助zhu設she計ji團tuan隊dui更geng快kuai地di進jin入ru概gai念nian驗yan證zheng階jie段duan。最zui重zhong要yao的de是shi，與yu使shi用yong定ding製zhi開kai發fa板ban和he專zhuan有you軟ruan件jian的de方fang案an相xiang比bi，這zhe種zhong方fang法fa可ke大da大da降jiang低di成cheng本ben
，並bing且qie為wei將jiang來lai的de進jin一yi步bu開kai發fa奠dian定ding堅jian實shi基ji礎chu。

 

圖3：CML Microcircuits的EV6550DHAT可添加板。

 

隨著CMX655D的發布，CML Microcircuits已選擇遵循這種開源技術途徑。通過為HAT格式的CMX655D編解碼器解決方案創建EV6550DHAT評估板，CML Microcircuits能夠使Raspberry Pishequkeyiqingsongshiyonggaixinqijian。ciwai

，youyurenshidaokaifarenyuanbukenenghuahenduoshijianquhuoqusuoxudezhishi，zhihouzaijiangyinpingongnengchenggongjichengdaojutiyingyong，CML Microcircuits還為CMX655D-RPi配置提供了Linux驅動程序。這種低級別驅動程序可使開發環境適合於任何音頻應用
，並遵循標準高級Linux聲音體係架構（ALSA）接口。ALSA體係架構具有非常靈活的界麵，能夠提供一個抽象級別，從而極大地簡化涉及聲音的應用開發。

 

結論

 

MEMS技術正在物聯網領域得到廣泛應用，可以針對各種應用場景實現批量生產的低成本傳感器。數字MEMS麥克風是MEMS技術的一個典型示例，采用數字MEMS麥克風技術能夠完成全新的人機交互，從而可以在智能手機、智能揚聲器

、可穿戴設備等許多領域實現高質量音頻應用。

 

新一代編解碼器支持MEMS麥克風的集成，並將所需的接口功能集成到具有小外形尺寸的低成本、低功耗器件中。通過使這些器件支持RPi和ALSA等開源開發工具軟件框架，CML Microcircuits等創新製造商正在幫助客戶降低開發成本，加快產品上市速度。