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[资讯] 微型数字传声器技术与发展(上)

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hififei 发表于 2009-7-20 11:25:06

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1  引言
+ N2 b9 c" w0 G6 N/ ^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。1 e" b& S. S# R# q( L
2  微型数字传声器技术' J6 a9 w! _% y! a+ T- Y
2.1微型数字传声器原理0 ?4 b4 |  ?7 c' `5 [7 N
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  w) M2 J& N# C5 o. q

3 L0 k3 J* P1 E' @0 {$ E7 t
/ Q; c# q9 m" d' N% m: _  J8 T, Y图1  数字传声器接口原理图
$ A- j( o; T! j1 N$ f: s/ e( c 0 O* b) V4 w9 |4 x4 y( e0 U
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。3 J: K+ o$ Z! f9 C9 _
2.2数字传声器A/D变换原理3 ]3 X5 l8 W% B  I8 i& h* D5 X6 h
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。
$ b+ L: }8 l6 @: C& m2 p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)。
青云 发表于 2009-9-5 14:03:59
∑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。
4 D1 I1 J$ M* C% g: X数字传声器结构及模数转换芯片原理见图2。
. ]0 c" e. \: S+ T1 c  B
$ {: ~! n9 M6 W( w# R4 S; \% }: q& {( J3 h/ {6 Q
图2 数字传声器结构及模数转换芯片原理图
% J1 J+ d& ]6 \. ?$ T4 [2.2.1∑一△转换器
; }, B+ y0 ?. J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。! S# F# A) U) p0 N9 X# M

* S$ I8 Q+ j$ q+ K  ~; \% U9 H0 o7 F1 q" |1 X. s& d
图3  l bit∑一△转换器3 v3 F& n6 ]$ i$ A5 a2 X; x6 Q

. H6 T( [( U6 P图4 ∑一△转换器时序图
伤心的骆驼 发表于 2009-12-6 12:16:09
2.2.2取样时钟与音频带宽上限的关系
& x$ f/ A: C3 K4 u* ^' v$ R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
" [+ X) _! L  J% yBW= CLK/(2×60)    (1)- E  D* Z- b3 o, J
例如:1.2 MHz clk→BW= 1.2 M/(2 x60)=10 kHz
) W* i7 M' g7 C$ T; n1 e, k  U取样时钟与音频带宽上限的关系见表1。- K+ ?2 ~. J' Y( g

7 M) f+ x3 p3 Q表1  取样时钟频率与音频带宽上限对应表$ {* B1 x( t; u' x  s" e
2.3微机电(MEMS)数字传声器
* t* M" g  v9 W' f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。0 L# k2 M- o9 K) V: |* }' J
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。) N4 f4 ?+ B6 Q% _# _' }
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