Дизајнерски водич: одабир правог МЕМС микрофона за гласовне контроле

Ethan Zuckerman: How to listen to global voices (Јули 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Интересовање се повећава у гласовној контроли за електронске производе, а добар дизајн мора почети са добрим микрофоном

Рицхард Куиннелл, главни уредник

Деценијама истраживачи покушавају да рачунарима дају способност да разумеју људски говор, и коначно је спреман за врхунско време. Са појављивањем личних асистената као што су Аппле Сири, Амазон Ецхо и Гоогле Хоме, гласовна контрола електронских система сада постаје неопходна функција. Почетак са правим микрофоном је кључ за постизање оптималних перформанси у таквим дизајну.

Технологија избора за уређаје са гласовним управљањем је микроелектромеханички систем (МЕМС) микрофон. Они су у суштини заменили старе електретне кондензаторске микрофоне из више разлога. Са једне стране, МЕМС микрофони су мали - само 2, 5 к 1, 6 к 0, 9 мм. Међутим, што је још важније, они могу понудити стабилне перформансе које не пролазе кроз време и могу имати боље фазно усклађивање како би омогућиле прецизно обликовање снопа.

МЕМС микрофон ради по капацитету. Микрокомбиновање силицијума производи акустичну комору са флексибилном плочом као једним зидом, а таласне тачке (звук) могу да помере ту плочу. Промена капацитета између плоче и остатка коморе ствара електрични сигнал који представља звук. Постоје две врсте МЕМС микрофона. Аналогни микрофони, попут њихових већих колега, једноставно пружају сигнал сензора - можда условљен или филтриран, али у суштини непромењен. Аналогни микрофони стога захтевају употребу спољашњег АДЦ-а ако се користе за препознавање гласа уређаја. Дигитални микрофони укључују АДЦ и друге дигиталне елементе на плочи да претварају сигнал сензора у дигитални ток података, обично модулирани пулзном густином.

Слика 1: МЕМС микрофон је у суштини променљиви кондензатор направљен микромашинирањем покретне силиконске плоче у акустичној комори. (Извор: СТМицроелецтроницс)

Технологија МЕМС микрофона је најпре применила усвајање на мобилним уређајима и преносним рачунарима, а ове апликације и даље возе на тржишту. Већина уређаја има вишеструке микрофоне постављене на местима као што су близу дна за прикупљање гласова телефона и поред објектива камере за снимање видео звука. Ови микрофони су, међутим, намијењени за снимање звука за људско слушање, што даје дизајнерима значајну слободу у примјени компресије података и других алгоритама филтера. Међутим, за слушање уређаја, потребе за аудио процесом су различите.

Пре процене МЕМС микрофона за контролу гласа, програмери прво морају одлучити како ће се систем користити. На пример, батеријски погон, ручни уређај као што је даљински управљач, вероватно ће увек бити у близини уста звучника. Према томе, дизајн може захтевати само један микрофон, а акустични параметри, као што је однос односа сигнала и шума (СНР), можда неће бити толико велики као потрошња енергије. Али у уређају као што је Амазон Ецхо, који мора поуздано разумјети гласове који долазе с метара у бучном окружењу, кључни параметри би били и СНЛ (који одређује најмањи звук поуздано осјетјен) и тачку акустичне преоптерећења (АОП), која је најгласнији ниво звучног притиска (СПЛ), сензор може да ради без засићења.

Друго унапред разматрање је где и како се микрофон монтира. МЕМС микрофони долазе у две оријентације. Постоји горњи порт, са отвором отвора за звук који је усмерен на површину за монтажу и доњи порт. Са доњим портом, ПЦБ на који се микрофон постаје монтиран мора имати пролаз кроз који се поравна на отвор бленде како би се звук ушао. Иако то може изгледати компликованији, тренутно на тржишту доминирају доњи портови. Дизајнери мобилних уређаја постављају микрофон на флексибилна кола која су затим причвршћена за кућиште уређаја, а у овим дизајнима дизајн доњег порта знатно поједностављује монтажу.

Слика 2: Микрофон доњег порта има своју акустичну отвору на истој страни као и плоче за монтажу на ПЦБ.

Такође, приликом разматрања монтирања, произвођачи упозоравају да акустична својства индустријског дизајна требају пажњу. Чак и најбољи микрофон ће испоручити лоше перформансе ако звучна бленда кућишта и резонантна комора кућишта нису прикладни. У зависности од примене, можда је потребно да постоји и заптивка или друга препрека како би спречили прашину или воду у улазни отвор бленде микрофона.

Срећом, произвођачи МЕМС микрофона могу помоћи. Продавци попут Инфинеона, на пример, партнери са акустичким специјалистима који нуде референтне дизајне које корисници могу искористити. Други, попут СТМицроелецтроницс, нуде услуге акустичне симулације како би се потврдили дизајни купаца на основу 3Д цртежа купца.

Са овим основним разлозима, дизајнери могу тада процијенити карактеристике перформанси појединачних микрофона како би направили коначни избор. Кључни параметри репрезентативног избора расположивих МЕМС микрофона су наведени у прегледници, коју могу преузети путем регистрованих ЕП читача. Неке од ових спецификација укључују:

  • Осетљивост на порту - величина излазног сигнала даје референтни 94-дБ -СПЛ акустични сигнал на порту. Ово помаже да се покаже најједноставнији звук који микрофон покупи.
  • СНР - разлика (у дБ) између пода буке микрофона и сигнала који произведе звучни талас од 94 дБ, 1 кХз.
  • Динамички опсег - ширење интензитета звука који микрофон може поуздано снимити без изобличења. У суштини је разлика (у дБ) између пода буке микрофона и његовог АОП-а.
  • Фреквентни опсег - распон аудио фреквенција на који микрофон може реаговати без губитка осетљивости.

Слика 3: Кликните на дугме "Преузми водиче" на дну овог чланка да преузмете овај МЕМС водич за одабир микрофона.

Неки произвођачи су такође указали на посебне карактеристике својих понуда за микрофон који програмери могу размотрити. Један од најинтригантнијих је режим ниског напона који омогућава микрофону да ради у мање осетљивом али увек у стању. Рад у овом стању дозвољава дизајну да сачува енергију док остане активан да би открио ријеч "буђење", као што је "Алека". Када се детектује буђење, систем се онда може пребацити на потпуно осјетљивост ( и пуном снагом). Овај режим може бити нарочито важан за дизајн који користи батерију, јер помаже у продужењу трајања батерије.

Међутим, МЕМС микрофони су само први елемент дизајна система који се активира гласом. Често их мора пратити обрада сигнала која комбинује сигнале са више микрофона за смањење буке. Технике редукције буке укључују обликовање снопа (потребни су вишеструки микрофони), који фокусира звучни одзив система у правцу звучника и операцију "баргинг-ина", којим се искључује звук који сам уређај генерише тако да звучнику није потребно да вичу над њим да би се чула.

Овај чланак само нарушава површину МЕМС микрофона и евалуацију, наравно. На срећу, постоје многи вуторски водичи и друге смернице на интернету за даље истраживање. Ови укључују:

  • Увод у спецификације МЕМС микрофона - Циррус Логиц
  • Аудио Беамформинг - Инфинеон Тецхнологиес
  • Упутство за МЕМС микрофоне - СТМицроелецтроницс

Такође можете сазнати неке од опција за обраду говорног сигнала и њихове комплете за развој тако што ћете пратити линкове чланака испод.

Повезани чланци:
Аудио Пред-процесни систем Референтни дизајн за гласовне апликације помоћу Ц6747
Како направити свој Амазон Ецхо - или нешто слично томе
АцуЕдге дев комплет поједностављује интеграцију Алека Воице Сервице услуге
КСМОС и Куалцомм покрећу девет комплета за обраду говора за препознавање говора заснованог на облаку
Циррус се придружи хору Алека предпроцесорских чип провајдера

Рицхард Куиннелл