事實上,行動平台影像錄製的成功發展,也喚起消費者開始關注在其多媒體經驗之中較不顯眼、但同樣重要的元素,那就是音訊品質。而音訊品質又取決於所使用的微機電系統(MEMS)麥克風品質。

在智慧型手機配備相機的短暫歷史中,音訊品質的提升速度並未跟上視訊品質。其中一項原因就是缺乏消費者需求。道理很簡單,當你在撥打語音電話時,麥克風的性良好主要對接聽者有利,而不是撥打電話的手機使用者。因此,對於智慧型手機買家而言,優質的麥克風難以成為賣點。

如今,智慧型手機的麥克風不僅能夠擷取語音進行傳輸,也可作為音訊感測器,在非常低功率的模式下支援語音啟動以及控制功能,並在用於手機錄影時提供了高品質音訊。錄影模式尤其提高了音色表現的要求。如果ultra HD解析度的智慧型手機影片,搭配低品質的音訊錄音效果,將令人感到相當沮喪。

由於智慧型手機使用者在播放影片時,會直接聽見麥克風的效能,因此麥克風品質可能成為區隔產品差異化的因素。音訊品質不佳可能會毀了整部影片,即使具有4K解析度也不例外。

聲學過載點(AOP)

視訊錄製(及分享)的流行,讓麥克風的聲學過載點(AOP)地位益顯重要。除了眾所熟知的訊號雜訊比(SNR)以外,AOP是麥克風最重要的品質指標。

AOP定義聲壓位準(SPL),麥克風在此將達到10%的總諧波失真(THD)。AOP這種可測量的特性,是評估麥克風高聲壓位準效能的理想基準,包括演唱會及夜店等高度噪音的環境中。在部份使用情境下,即使是風切聲也會造成麥克風達到其AOP。

在過去,手機製造商使用120dB SPL作為大部份麥克風的基準AOP。最近對於AOP的要求則提升至130dB SPL以上。其中增加的10dB可為使用者創造卓越的聽覺效能,即使是在吵雜的演唱會環境也不受影響。此外,麥克風也更為穩固,足以對抗風切聲等問題。智慧型手機的音訊演算法,還能更妥善地處理音訊訊號,而不至於產生假影。

微型機器的運作

智慧型手機麥克風是採用半導體製程實現大量生產的MEMS裝置。其典型設計結合了MEMS感測器及ASIC(如圖1)。感測器內含的薄膜會隨聲學壓力移動,進而產生放大的電訊號 (類比麥克風),或在ASIC由ADC進行處理(數位麥克風)。

20160810 Infineon TA31P1 圖1:典型的麥克風設計結合MEMS薄膜及ASIC

英飛凌出售給麥克風製造商的晶片組,成功地實現了高SPL麥克風。解決方案包含MEMS麥克風元件,以及提供類比或數位輸出的ASIC。將音訊轉換為電訊號的MEMS麥克風,基本上是一種直流(DC)偏置電容器,可藉由音訊壓力改變電容器板的電壓(圖2),而導致薄膜(或振膜)振動。

20160810 Infineon TA31P2 圖2:MEMS麥克風電容感測器原理:單背板,以及雙背板

處理較大聲壓位準的主要挑戰在於:薄膜產生大規模的機械動作,將在移動至極限時造成失真。第二項挑戰則是設計ASIC,以處理MEMS元件產生的較大訊號。

製造高SPL麥克風的方式之一,是加強薄膜硬度或降低偏置電壓,以便減少麥克風的靈敏度。這樣可減少薄膜移動,藉此降低所產生的訊號,但同時也會降低另一項關鍵參數,也就是訊號雜訊比(SNR)。高SNR是眾多使用案例的關鍵因素,其描述麥克風本身雜訊之間的餘裕應盡可能越低越好,而靈敏度則應越高越好。

夾層效應

另一種建置MEMS元件的方式,是將移動薄膜放置在兩個電容器板之間(如圖3)。這樣可以產生差動輸出(相較於單端),具有多項優點。

20160810 Infineon TA31P3 圖3:英飛凌雙背板MEMS設計實現高AOP的麥克風

  • 雙背板(Dual back-plate)MEMS麥克風採用對稱結構,可最大幅度減少失真。相同原理也應用於高階立體聲電容式麥克風。
  • 透過音訊處理鏈(前置放大器、ADC等),更易於管理差動元件,從而減少ASIC的電源需求,同時也能降低RF干擾,減少訊號處理步驟。
  • Dual back-plate裝置更為穩固,可對抗風聲問題,因為AOP較高的單背板(Single back-plate)裝置製造商,一般使用濾波器消除低頻風聲,會對音訊品質造成影響。濾波器可移除低音,這在錄製音樂時尤為重要,畢竟低音是一切重點所在。

上述作法讓Dual back-plate裝置展現更具線性的行為,直到達到AOP為止。相較於傳統的單端麥克風,SPL(音訊開始失真至2%時)將以約10dB向外推送。這對音訊訊號品質具有重大影響(圖4)。

20160810 Infineon TA31P4 圖4:從拆解主要廠牌智慧型手機的麥克風所測得的THD

英飛凌高SPL麥克風使用Dual back-plate設計,可以達到非常高的AOP,同時達到或超越目前市面上其他產品的SNR。根據音訊測試顯示,在出色的音訊播放及聆聽環境下,將可測得高於2%的THD。因此,讓AOP超越現今業界最低水準的130dB SPL,以及低於2%的THD,都是重要任務。

英飛凌委託獨立機構進行研究,在最新的ITU-T建議下,利用語音品質感受客觀分析(POLQA)評估麥克風效能。搭配使用主觀聽覺測試箱(subjective listening test box)的結果證實上述發現,也展現了英飛凌Dual back-plate MEMS技術的麥克風效能。

智慧型手機搭載的矽晶麥克風效能將會受到諸多因素影響,包括音訊處理鏈的設計,以及整體的麥克風陣列。此外,多項變數也影響到麥克風陣列的整體耗電量,雖然雙背板設計減少的訊號處理複雜度可能成為一項優勢。

最後,麥克風路徑設計的最佳起點是聽覺測試。現有的測試箱(圖5)可用於比較低/高AOP麥克風元件,並提供開發的基準。

20160810 Infineon TA31P5 圖5:高/低AOP麥克風的可攜式即時展示器