解析微型数字传声器技术及其发展前景

1  引言

近几年中国微型传声器产业正在飞速增长，尤其微型数字传声器的应用需求日益高涨，作为传声器技术的一个重要分支，在目前快速发展的手机、笔记本式计算机、平板计算机等多种数字消费领域中有着非常广阔的应用前途，并且已经显示出加速发展的趋势。下面重点介绍此类微型数字传声器的技术与发展。

2  微型数字传声器技术　　

2.1微型数字传声器原理　　

数字传声器，顾名思义就是直接输出数字脉冲信号的传声器电声器件。从应用角度来划分，可以分为两类：一类为USB接口的数字传声器，其核心电声换能器件仍为模拟音频输出信号，经过USB接口音效芯片转换为PC格式的数字信号输出接口，此类传声器多数作为PC周边配套外设，如USB接口录音传声器、USB接口耳麦等，严格说来，此类数字传声器应称为数字接口传声器。另一类为真正意义上的数字传声器，此类传声器采用内置阻抗变换、前置增益、A/D编码器的IC芯片，作为电声换能器件直接输出的便是脉冲数字信号，可以直接与相应的编解码芯片（ CODEC）进行数字信号的传输。数字传声器接口原理如图1

图1  数字传声器接口原理图　　

随着计算机技术对广大消费电子领域的日益渗透，数字技术在音视频领域的应用已经无处不在。早期音频处理芯片均采用模拟传声器接口技术，由音效芯片的A/D部分完成模拟音频信号到数字信号的转换。由于数字技术的日渐成熟，越来越多的IC设计公司开始设计出带数字传声器接口的新型音频芯片（ HAD CODEC）及DSP芯片，由此推动了微型数字传声器的研发与应用。　　

2.2数字传声器A/D变换原理　　

目前国际上IC厂商推向市场的内置式数字传声器IC芯片普遍采用∑一△模数转换编码格式，此编码格式与相关应用设备采用的DSP及CODEC芯片的数字传声器输入接口格式相兼容。　　

与常规PCM编码器不同，∑一△变换采用过取样技术，将信号按时间分割，保持幅度恒定，具有高取样率、噪声整形和比特字长短的特点。变换可以在高取样率、低分辨率的量化器中进行，可广泛用于音频信号数字化的∑一△模数编码器（ADC）及数字信号还原为模拟音频信号的∑一△数模解码器（ DAC）。　　

∑一△变换时根据采用的具体结构可采用I bit或多比特变换，目前数字传声器普遍使用的∑一△ADC采用了1 bit变换技术，克服了采用多比特变换时所带来的量化非线性误差、纠错困难的缺点。　　

数字传声器结构及模数转换芯片原理见图2.

图2数字传声器结构及模数转换芯片原理图　　

2.2.1∑一△转换器　　

模拟信号转换成PCM信号，根据奈奎斯特准则，通常必须用大于采样样本最高频率2倍以上的固定采样率对模拟信号采样后进行量化编码，每个采样点可以用多位比特的数据量化。量化比特数越多，采样精确越高，失真越小，但是电路会变复杂，成本相对增高，不适合低成本数字传声器模数转换应用。微型数字传声器通常采用1位∑一△模数转换器，对模拟信号进行过采样（只能用于带宽有限的信号，不适合宽频信号，例如视频信号），采样率由外部时钟提供。过采样可使量化噪声远离被采样的音频信号。离信号主频？s越近，噪声幅度越小。同时对抗混叠滤波器的要求大大降低，可以达到很高的精度，具体原理及时序图分别见图3和图4.
 
 

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2.2.2取样时钟与音频带宽上限的关系　　

微型数字传声器音频带宽（ BW）上限取决于时钟（ CLK）与2倍过采样率（OSR）之比。l bit∑一△转换器（ADC）的过采样率OSR= 60.音频带宽计算公式如下　　

BW= CLK/（2×60）    （1）　　

例如：1.2 MHz clk→BW= 1.2 M/（2 x60）=10 kHz　　

取样时钟与音频带宽上限的关系见表1.

表1  取样时钟频率与音频带宽上限对应表　　

2.3微机电（MEMS）数字传声器　　

业内人士分析，2012年以后，微机电（ MEMS）传声器市场将真正开始走上发展快车道。微机电（ MEMS）传声器尤其是微机电（MEMS）数字传声器的大量新应用已经涌现出来。包括：手持设备、有源降噪耳机、录音机、摄像机、用于VoIP的笔记本式计算机、数码相机、MP3播放机和交互式游戏机。广泛应用于消费电子产品的语音控制被认为是一个利润丰厚的市场。汽车上的免提通信和导航设备也是微机电（ MEMS）传声器一个具有增长潜力的市场。　　

虽然驻极体（ ECM）数字传声器较微机电（MEMS）数字传声器目前还有一定的价格优势，但是微机电（ MEMS）数字传声器在尺寸（小至2.6 mm×1.6 mm×1.0 mm）、结构（后进声形式）、耐热性（可回流焊）以及长期稳定性上都具有较大优势，仍是新型数字消费产品设计时优先考虑的电声采购器件。　　

微机电（ MEMS）数字传声器主要由微机电换能器（ MEMS sensor）、内含充电电荷泵的数字传声器专用芯片（ASIC）、印刷电路基板（PCB）及屏蔽外壳组成。微机电（ MEMS）数字传声器原理与封装结构图分别如图5、图6所示。

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3  微型数字传声器应用

数字ECM或MEMS传声器和传统的ECM传声器相比，有着不可取代的优势。首先，移动设备向小型化数字化发展，急需数字拾音器件和技术与之配套；第二，数字设备包含的功能单元越来越多，如笔记本式计算机，集成了蓝牙和WiFi无线功能，传声器的安装位置距离这些干扰源很近，设备对传声器抗干扰性能的要求越来越高；第三，随着三网合一的发展，需要上网、视频和语音传输可以同时进行，这在移动设备中通常会遇到环境背景噪声和线路回声的影响；第四，从提高生产效率的角度考虑，希望对传声器元件采用SMT工艺焊接组装。数字传声器尤其是具有集成电路本质的微机电（ MEMS）数字传声器更加适合SMT焊接组装工艺，为了解决系统各种射频干扰对语音通信产生的噪声，数字传声器尤其适用于通过算法编程达到阵列拾音技术的实现，对于抑制环境背景噪声和消除通话时的线路回声方面具有突出的技术优势，数字传声器输出接口格式同数字处理系统具有高度的接口兼容性。数字传声器的应用见图7~8.

4 微型数字传声器现状与发展　　

目前，数字传声器的应用已经日益普遍，但要取得微型传声器市场主角地位仍需时日，目前传统微型传声器仍在市场中占据主流地位。2008年是全球数字传声器市场崛起之年，2008年全球传声器市场产量约为28亿只，MEMS传声器产量约为3.3亿只，其中ECM数字传声器产量据不完全统计，国内综合出货量约为l亿只左右。在2009年期间，由于经历了全球性经济衰退，数字传声器的强劲成长态势出现了较大的减缓。　　

尽管历经2009年的衰退，但在移动手持装置与其他类似应用的强力驱动下，2010年以来数字传声器市场已经明确显现出强势复苏的势头，数字传声器应用市场也从以笔记本式计算机为主的市场扩大至新型智能手机为主的领域。尤其是全球微机电（MEMS）传声器市场的强势发展，可以预计数字传声器尤其是微机电（ MEMS）数字传声器占据传声器主流市场的时日不会太远了。　　

2010年全球微型驻极体传声器应用领域市场分布见图9;2007 - 2015年全球微型驻极体传声器销量发展趋势见图10;2006 - 2013年全球微机电（ MEMS）传声器市场预测见图11.

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近期美国iSuppli发表预测称，2013年全球微机电（ MEMS）传声器市场将扩大至12亿只的规模。而原先2009年9月的预测为，"2013年将从2008年的约3亿只扩大至11亿只".与原来的预测相比，2013年的预测值增加了1亿只。此次上调预测的根据如下：以美国谷歌的智能手机"Nexus One"和摩托罗拉的手机"DROID"采用消除周围噪声的主动降噪（Active Noise Cancel）功能为契机，预计微机电（MEMS）传声器面向手机市场的用途将迅速扩大　　

其具体理由如下：　　

（1）为了实现主动降噪功能，Nexus One和DROID配备了2只以上的微机电（MEMS）传声器和专用噪声控制大规模集成芯片（ LSI）。　　

（2）作为面向主动降噪功能的的传声器，微机电（ MEMS）传声器相对于现有的驻极体传声器（Electret Condenser Microphone）具有优势。原因是，微机电（ MEMS）传声器尺寸小、灵敏度高、信噪比高、与数字信号处理器（ DSP）具有较高的适应性。　　

（3）另外，头戴式耳机也越来越多地采用主动降噪功能。芬兰诺基亚2009年2月发布了使用10只微机电（ MEMS）传声器、配备有主动降噪功能的头戴式耳机。该主动降噪功能由诺基亚和英国欧胜微电子（Wolfson Microelectronics）共同开发。索尼也发布了可将周围噪声最大降低99%的头戴式耳机。　　

除手机以外的其他产品也越来越多地配备微机电（MEMS）传声器。iSuppli称进行拆解时发现，美国苹果带视频拍摄功能的"iPod nano"配备有美国模拟器件公司的微机电（ MEMS）传声器。此外，笔记本式计算机中配备两只微机电（ MEMS）传声器的产品不断增多。

图11  美国iSuppli发布的全球微机电（MEMS）传声器市场预测　　

5  结束语　　

微型传声器作为电声器件领域的一个重要分支，是一支具有强大生命力的生力军。自20世纪70年代末驻极体电容传声器（ ECM）引入中国以来，其应用领域的广泛与产量的激增，远远超出了任何人的预期与规划，消费领域数码产品层出不穷地更新换代，更加说明微型传声器尤其是微型数字传声器的市场前景是不可忽视的，相对于认为微型传声器已经没有什么发展前景的悲观论点，笔者却持有乐观论点。只要人类需要歌唱、对话与交流，只要人类不断创造梦想的激情不会消失，传声器将永远是人类声音的忠实代言者。