中心議題：

• 微型數字傳聲器技術
• 微型數字傳聲器應用
• 微型數字傳聲器發(fā)展

解決方案：

• 內置式數字傳聲器IC芯片普遍采用∑一△模數轉換編碼格式
• 數字傳聲器普遍使用的∑一△ADC采用了1 bit變換技術

1  引言

近幾年中國微型傳聲器產業(yè)正在飛速增長，尤其微型數字傳聲器的應用需求日益高漲，作為傳聲器技術的一個重要分支，在目前快速發(fā)展的手機、筆記本式計算機、平板計算機等多種數字消費領域中有著非常廣闊的應用前途，并且已經顯示出加速發(fā)展的趨勢。下面重點介紹此類微型數字傳聲器的技術與發(fā)展。

2  微型數字傳聲器技術　　

2.1微型數字傳聲器原理　　

數字傳聲器，顧名思義就是直接輸出數字脈沖信號的傳聲器電聲器件。從應用角度來劃分，可以分為兩類：一類為USB接口的數字傳聲器，其核心電聲換能器件仍為模擬音頻輸出信號，經過USB接口音效芯片轉換為PC格式的數字信號輸出接口，此類傳聲器多數作為PC周邊配套外設，如USB接口錄音傳聲器、USB接口耳麥等，嚴格說來，此類數字傳聲器應稱為數字接口傳聲器。另一類為真正意義上的數字傳聲器，此類傳聲器采用內置阻抗變換、前置增益、A/D編碼器的IC芯片，作為電聲換能器件直接輸出的便是脈沖數字信號，可以直接與相應的編解碼芯片（ CODEC）進行數字信號的傳輸。數字傳聲器接口原理如圖1
 

圖1  數字傳聲器接口原理圖　　

隨著計算機技術對廣大消費電子領域的日益滲透，數字技術在音視頻領域的應用已經無處不在。早期音頻處理芯片均采用模擬傳聲器接口技術，由音效芯片的A/D部分完成模擬音頻信號到數字信號的轉換。由于數字技術的日漸成熟，越來越多的IC設計公司開始設計出帶數字傳聲器接口的新型音頻芯片（ HAD CODEC）及DSP芯片，由此推動了微型數字傳聲器的研發(fā)與應用?！　?br />
2.2數字傳聲器A/D變換原理　　

目前國際上IC廠商推向市場的內置式數字傳聲器IC芯片普遍采用∑一△模數轉換編碼格式，此編碼格式與相關應用設備采用的DSP及CODEC芯片的數字傳聲器輸入接口格式相兼容?！　?br />
與常規(guī)PCM編碼器不同，∑一△變換采用過取樣技術，將信號按時間分割，保持幅度恒定，具有高取樣率、噪聲整形和比特字長短的特點。變換可以在高取樣率、低分辨率的量化器中進行，可廣泛用于音頻信號數字化的∑一△模數編碼器（ADC）及數字信號還原為模擬音頻信號的∑一△數模解碼器（ DAC）。　　

∑一△變換時根據采用的具體結構可采用I bit或多比特變換，目前數字傳聲器普遍使用的∑一△ADC采用了1 bit變換技術，克服了采用多比特變換時所帶來的量化非線性誤差、糾錯困難的缺點?！　?br />
數字傳聲器結構及模數轉換芯片原理見圖2.
 

圖2數字傳聲器結構及模數轉換芯片原理圖　　

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2.2.1∑一△轉換器　　

模擬信號轉換成PCM信號，根據奈奎斯特準則，通常必須用大于采樣樣本最高頻率2倍以上的固定采樣率對模擬信號采樣后進行量化編碼，每個采樣點可以用多位比特的數據量化。量化比特數越多，采樣精確越高，失真越小，但是電路會變復雜，成本相對增高，不適合低成本數字傳聲器模數轉換應用。微型數字傳聲器通常采用1位∑一△模數轉換器，對模擬信號進行過采樣（只能用于帶寬有限的信號，不適合寬頻信號，例如視頻信號），采樣率由外部時鐘提供。過采樣可使量化噪聲遠離被采樣的音頻信號。離信號主頻？s越近，噪聲幅度越小。同時對抗混疊濾波器的要求大大降低，可以達到很高的精度，具體原理及時序圖分別見圖3和圖4.
 

圖3  l bit∑一△轉換器

圖4∑一△轉換器時序圖

2.2.2取樣時鐘與音頻帶寬上限的關系　　

微型數字傳聲器音頻帶寬（ BW）上限取決于時鐘（ CLK）與2倍過采樣率（OSR）之比。l bit∑一△轉換器（ADC）的過采樣率OSR= 60.音頻帶寬計算公式如下　　

BW= CLK/（2×60）    （1）　　

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

取樣時鐘與音頻帶寬上限的關系見表1.
 

表1  取樣時鐘頻率與音頻帶寬上限對應表　　

 

2.3微機電（MEMS）數字傳聲器　　

業(yè)內人士分析，2012年以后，微機電（ MEMS）傳聲器市場將真正開始走上發(fā)展快車道。微機電（ MEMS）傳聲器尤其是微機電（MEMS）數字傳聲器的大量新應用已經涌現出來。包括：手持設備、有源降噪耳機、錄音機、攝像機、用于VoIP的筆記本式計算機、數碼相機、MP3播放機和交互式游戲機。廣泛應用于消費電子產品的語音控制被認為是一個利潤豐厚的市場。汽車上的免提通信和導航設備也是微機電（ MEMS）傳聲器一個具有增長潛力的市場?！　?br /> [page]
雖然駐極體（ ECM）數字傳聲器較微機電（MEMS）數字傳聲器目前還有一定的價格優(yōu)勢，但是微機電（ MEMS）數字傳聲器在尺寸（小至2.6 mm×1.6 mm×1.0 mm）、結構（后進聲形式）、耐熱性（可回流焊）以及長期穩(wěn)定性上都具有較大優(yōu)勢，仍是新型數字消費產品設計時優(yōu)先考慮的電聲采購器件?！　?br />
微機電（ MEMS）數字傳聲器主要由微機電換能器（ MEMS sensor）、內含充電電荷泵的數字傳聲器專用芯片（ASIC）、印刷電路基板（PCB）及屏蔽外殼組成。微機電（ MEMS）數字傳聲器原理與封裝結構圖分別如圖5、圖6所示。
 

圖5微機電（ MEMS）數字傳聲器原理圖

圖6微機電（MEMS）數字傳聲器封裝結構　　

3  微型數字傳聲器應用

數字ECM或MEMS傳聲器和傳統的ECM傳聲器相比，有著不可取代的優(yōu)勢。首先，移動設備向小型化數字化發(fā)展，急需數字拾音器件和技術與之配套；第二，數字設備包含的功能單元越來越多，如筆記本式計算機，集成了藍牙和WiFi無線功能，傳聲器的安裝位置距離這些干擾源很近，設備對傳聲器抗干擾性能的要求越來越高；第三，隨著三網合一的發(fā)展，需要上網、視頻和語音傳輸可以同時進行，這在移動設備中通常會遇到環(huán)境背景噪聲和線路回聲的影響；第四，從提高生產效率的角度考慮，希望對傳聲器元件采用SMT工藝焊接組裝。數字傳聲器尤其是具有集成電路本質的微機電（ MEMS）數字傳聲器更加適合SMT焊接組裝工藝，為了解決系統各種射頻干擾對語音通信產生的噪聲，數字傳聲器尤其適用于通過算法編程達到陣列拾音技術的實現，對于抑制環(huán)境背景噪聲和消除通話時的線路回聲方面具有突出的技術優(yōu)勢，數字傳聲器輸出接口格式同數字處理系統具有高度的接口兼容性。數字傳聲器的應用見圖7~8.
 

圖7  數字傳聲器構成的傳聲器陣列及應用

圖8  數字傳聲器的廣泛應用

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4 微型數字傳聲器現狀與發(fā)展　　

目前，數字傳聲器的應用已經日益普遍，但要取得微型傳聲器市場主角地位仍需時日，目前傳統微型傳聲器仍在市場中占據主流地位。2008年是全球數字傳聲器市場崛起之年，2008年全球傳聲器市場產量約為28億只，MEMS傳聲器產量約為3.3億只，其中ECM數字傳聲器產量據不完全統計，國內綜合出貨量約為l億只左右。在2009年期間，由于經歷了全球性經濟衰退，數字傳聲器的強勁成長態(tài)勢出現了較大的減緩。　　

盡管歷經2009年的衰退，但在移動手持裝置與其他類似應用的強力驅動下，2010年以來數字傳聲器市場已經明確顯現出強勢復蘇的勢頭，數字傳聲器應用市場也從以筆記本式計算機為主的市場擴大至新型智能手機為主的領域。尤其是全球微機電（MEMS）傳聲器市場的強勢發(fā)展，可以預計數字傳聲器尤其是微機電（ MEMS）數字傳聲器占據傳聲器主流市場的時日不會太遠了?！　?br />
2010年全球微型駐極體傳聲器應用領域市場分布見圖9;2007 - 2015年全球微型駐極體傳聲器銷量發(fā)展趨勢見圖10;2006 - 2013年全球微機電（ MEMS）傳聲器市場預測見圖11.
 

圖9 2010年全球微型駐極體傳聲器應用領域市場分布（按需求量）

圖10  2007 - 2015年全球微型駐極體傳聲器銷量發(fā)展趨勢（2011年后為預測）　　

近期美國iSuppli發(fā)表預測稱，2013年全球微機電（ MEMS）傳聲器市場將擴大至12億只的規(guī)模。而原先2009年9月的預測為，"2013年將從2008年的約3億只擴大至11億只".與原來的預測相比，2013年的預測值增加了1億只。此次上調預測的根據如下：以美國谷歌的智能手機"Nexus One"和摩托羅拉的手機"DROID"采用消除周圍噪聲的主動降噪（Active Noise Cancel）功能為契機，預計微機電（MEMS）傳聲器面向手機市場的用途將迅速擴大　　

其具體理由如下：　　

（1）為了實現主動降噪功能，Nexus One和DROID配備了2只以上的微機電（MEMS）傳聲器和專用噪聲控制大規(guī)模集成芯片（ LSI）?！　?br />
（2）作為面向主動降噪功能的的傳聲器，微機電（ MEMS）傳聲器相對于現有的駐極體傳聲器（Electret Condenser Microphone）具有優(yōu)勢。原因是，微機電（ MEMS）傳聲器尺寸小、靈敏度高、信噪比高、與數字信號處理器（ DSP）具有較高的適應性?！　?br />
（3）另外，頭戴式耳機也越來越多地采用主動降噪功能。芬蘭諾基亞2009年2月發(fā)布了使用10只微機電（ MEMS）傳聲器、配備有主動降噪功能的頭戴式耳機。該主動降噪功能由諾基亞和英國歐勝微電子（Wolfson Microelectronics）共同開發(fā)。索尼也發(fā)布了可將周圍噪聲最大降低99%的頭戴式耳機。　　

除手機以外的其他產品也越來越多地配備微機電（MEMS）傳聲器。iSuppli稱進行拆解時發(fā)現，美國蘋果帶視頻拍攝功能的"iPod nano"配備有美國模擬器件公司的微機電（ MEMS）傳聲器。此外，筆記本式計算機中配備兩只微機電（ MEMS）傳聲器的產品不斷增多。
 

圖11  美國iSuppli發(fā)布的全球微機電（MEMS）傳聲器市場預測　　

5  結束語　　

微型傳聲器作為電聲器件領域的一個重要分支，是一支具有強大生命力的生力軍。自20世紀70年代末駐極體電容傳聲器（ ECM）引入中國以來，其應用領域的廣泛與產量的激增，遠遠超出了任何人的預期與規(guī)劃，消費領域數碼產品層出不窮地更新換代，更加說明微型傳聲器尤其是微型數字傳聲器的市場前景是不可忽視的，相對于認為微型傳聲器已經沒有什么發(fā)展前景的悲觀論點，筆者卻持有樂觀論點。只要人類需要歌唱、對話與交流，只要人類不斷創(chuàng)造夢想的激情不會消失，傳聲器將永遠是人類聲音的忠實代言者。