IoT系列文章｜高信噪比麦克风正在将笔记本电脑变成全方位通信中心

大量员工继续在家办公或以混合模式办公。尽管一些组织很大程度上恢复了“正常”，但许多人已经习惯了在线会议。没有了办公室里的面对面会议，高效的沟通依赖于良好的工具，例如视频会议软件、计算机硬件等。

二十年前，很少有笔记本电脑内置麦克风。但现在，市面上几乎每台笔记本电脑都配置了网络摄像头和一个或多个麦克风——当与会者并非都在同一个房间时，这就是同事们的基本协作工具。

我们将在本文探讨笔记本电脑从文字处理工具到录音室级通信设备的转型及其背后的技术。

麦克风和网络摄像头变得无处不在

将麦克风集成到笔记本电脑中，标志着这些机器从简单的文字处理器和数字运算设备变成了通信平台。

随着越来越多的人放弃台式电脑，选择笔记本电脑，显然，消费者并不想依赖于外设。为了迎合市场，厂商开始将外设集成到笔记本电脑中，以减少使用外设执行特定任务的需求。笔记本电脑没有外部USB集线器，而是内置USB端口；没有WiFi加密狗，而是集成了无线网卡；没有鼠标，而是采用多点触控板。

随着高速互联网和视频通话的普及，厂商开始将网络摄像头和麦克风集成到笔记本电脑的屏幕边框中，以满足在线通信的需求。例如：苹果公司于2006年1月首次推出了采用内置iSight摄像头和麦克风的初代15英寸MacBook Pro1。

到了2000年代末，大多数以性能为导向的笔记本电脑型号都配备了类似的硬件。2010年代末，几乎所有笔记本电脑（包括最经济实惠的型号）都配备了网络摄像头和麦克风。

高信噪比麦克风将笔记本电脑变成完整的通信设备

笔记本电脑外设的下一波升级即将到来：采用MEMS技术的高信噪比麦克风。这一技术的推动预示着我们在使用笔记本电脑时的思维方式将发生改变。

新冠疫情及其他因素已将我们从办公室办公转移到了居家办公，而下一代麦克风将能让我们站起来，四处走动；让多人对着同一个麦克风说话，同时拥有高品质声音。

SNR

SNR并非一项技术，而是评估麦克风质量的一种指标，代表信噪比。在语音通话场景中，SNR衡量了通话中同事（或其他呼叫者）的声音与麦克风传输的噪音之间的比率。噪声有多个来源，其中包括环境噪声、电磁干扰和麦克风的机械振动。

MEMS麦克风

MEMS麦克风的核心优势之一是，它们可以利用硅晶圆大批量生产。这意味着，制造过程与微芯片制造相似（但不完全相同）。这种方法可确保较小的器件偏差，意味着生产流程非常可靠。

与传统电容式麦克风不同，MEMS麦克风主要使用电容传感技术将空气运动转化为数字信号。MEMS传感元件与低噪ASIC相结合。由于采用了微处理技术，MEMS麦克风可以非常小，因此，适合10 mm2以下的封装。

案例研究：将笔记本电脑变成通信设备

在最近的一项实验中，科技公司英飞凌展示了高信噪比XENSIV™ MEMS麦克风在通信中的优势。如图1所示，该团队设计了一个场景，使用了一个人工嘴，以及一台面对该人工嘴的笔记本电脑，以接收声音信号，二者距离可变。该实验是英飞凌在中国的一家系统合作伙伴实验室完成的。

实验假设MEMS麦克风可以在3-5米之间的较大距离处，提供良好的效果。然后，测试了4种不同的情况：一台带有传统麦克风的笔记本电脑和一台带有高SNR的MEMS麦克风的笔记本电脑，以及在这两种情况下提供VoIP服务的语音信号处理和不提供VoIP服务的语音信号处理。

将麦克风捕捉的回放语音与原始文件进行比较，结果发现，高SNR MEMS麦克风在这两种情况下都比传统笔记本电脑麦克风的表现更好。而真正的测试是看人们对音质的感知是否也更好。为此，他们比较了两个麦克风的平均意见得分（MOS）。如图2所示，英飞凌的麦克风在1-3米的近距离范围内实现了20%的音质提升，在3-5米的会议场景中实现了35%的音质提升！

图1：英飞凌合作伙伴实验室的测试设置[6]

通过这个测试，我们可以看到，未来将笔记本电脑作为通信设备将获得更加自然的录音室级别的体验。

图2：XENSIV™ MEMS 麦克风的MOS得分更高

（图源：英飞凌）

MEMS麦克风的未来

MEMS 麦克风凭借其小巧、数字化和高品质等特点，使我们在不同的对话和设备之间无缝切换，甚至无需坐在办公桌前使用传统的固定麦克风。试想一下，当你在与某人通电话时可以从一个房间走到另一个房间。每个设备都配备高SNR MEMS麦克风，将确保更优质的声音拾取，这使得即便有环境噪声、你与接收器之间的距离不断变化，算法也能更好地工作。

由于能够提供录音室级别质量的声音拾取，MEMS麦克风甚至可以实现类似播客的音频质量，而无需外部麦克风等设备。

我们的工作和娱乐的通信方式正在发生变化——基于语音的交流方式越来越多，例如：电话、语音消息、播客和Clubhouse等社交App。

除了笔记本电脑，物联网设备还有很多麦克风应用。由语音控制的语音助手已经非常常见，语音用户界面也有望应用于许多其他智能家居设备。它们不仅是技术创新，还代表着我们工作和生活方式的转变。

选购英飞凌麦克风

英飞凌是少数能够兑现高SNR MEMS麦克风承诺的麦克风制造商之一。他们既生产MEMS 和 ASIC 裸片，也生产集成了两者的封装麦克风。他们面向笔记本电脑及其他设备设计了XENSIV™系列MEMS麦克风，旨在提高通话质量3。

图3：XENSIV™ MEMS麦克风的照片（图源：英飞凌）

XENSIV™系列有几个型号现已上市，还有几个新型号即将上市。

选购XENSIV麦克风时，你必须先确定自己的应用需要什么接口。英飞凌提供带 PDM（脉冲密度调制）接口的数字麦克风和带差分和单端接口的模拟麦克风，涵盖了市面上所有最常用的接口。

接口的选择主要取决于系统SoC的前端。数字PDM型号消耗980 µA——尽管低功耗520 µA型号（IM69D128S）已经量产。模拟差分接口型号在170 µA时功耗更低。IM68A130仅消耗110 µA。

仅凭这些要求就可以将英飞凌XENSIV目录缩小到几个选项。从这里开始，就可以根据你的应用选择灵敏度、SNR和声学过载点（AOP）适当平衡的产品。

XENSIV目录中的大多数型号都采用密封双膜（SDM） MEMS技术，防护等级达IP57，提供了优质的防水和防尘保护功能，可帮助你在下一个产品中设计这种麦克风。

了解更多产品详情，请点击此处。

参考文献

1. Apple. 15-inch MacBook Pro Developer Note. Developer Connection [Internet]. 2008 Oct 10. Available from: https://web.archive.org/web/20081010192847/http://developer.apple.com/documentation/HardwareDrivers/Conceptual/MacBookPro_0601/Articles/MacBookPro_0601.html

2. Mike Levine. The shape of things to come: Different types of microphones and when to use them. Popular Science [Internet]. 2022 Mar 6. Available from: https://www.popsci.com/reviews/types-of-microphones/

3. Infineon. MEMS microphones for consumer. Infineon [Internet]. Available from: https://www.infineon.com/cms/en/product/sensor/mems-microphones/mems-microphones-for-consumer/

4. mynewmicrophone.com. What Is A Good Signal-To-Noise Ratio For A Microphone? [Internet]. Available from: https://mynewmicrophone.com/what-is-a-good-signal-to-noise-ratio-for-a-microphone/

5. mynewmicrophone.com. What Is A MEMS Microphone? (Micro-Electro-Mechanical Systems). [Internet]. Available from: https://mynewmicrophone.com/what-is-a-mems-micro-electro-mechanical-systems-microphone/

6.EE times.com. How Excellent MEMS Microphones Turn Laptops into Communication Systems. [Internet]. Available from: https://www.eetimes.com/how-excellent-mems-microphones-turn-laptops-into-communication-systems/

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