敏芯I2S MEMS麦克风芯片在智能音箱中的应用
2016-07-13 22:21:28   来源：微迷   评论：0   点击：

1. 引言

智能音响是众多胜任智能家庭管家设备中最具有潜力的，即作为未来家庭人工智能（AI）的入口，作用至关重要。目前，美国的亚马逊、中国的京东等科技公司，已经朝着这个方向不断努力，并且初步显露成效。亚马逊在2015年推出智能音箱Echo，京东在2016年推出智能音箱叮咚（DingDong），谷歌的Google Home也正在后来者居上。这些产品，主要在三个方面将声音的人机交互的作用加以发挥：智能家居中心；家庭购物入口；大数据获取。

未来，预计会有更多形式的智能声音获取终端进入家庭，作为利用人机声音交互的软、硬件通道。

无论在何种方案中，用户非常看重的一项功能，就是语音识别。如果这项功能缺失，那么人机通过声音交互的方式就不能完全自主，必须依赖其它途径开始、结束交互过程，用户体验必会大打折扣。因此，目前各个主流产品中，都具有语音识别功能。

然而，我们知道如果要想识别用户说出的命令，麦克风必须一直在录音状态，并且语音识别算法也要一直在工作，这就是连续语音识别的基本前提。因此，设法降低这部分系统设计的功耗和复杂度，是整个智能音箱软、硬件设计的核心之一。

2. 目前的麦克风信号处理的主流方案

智能音箱采用N个（目前多见7个或8个）麦克风芯片构成麦克风阵列拾取周边的声音信号。市面上见到的智能音箱通常采用“模拟输出MEMS麦克风 + 音频ADC + 处理器”的音频信号通路形式，如下图所示：

Amazon Echo的音频处理板实物拆解图

- 橙色：德州仪器TLV320ADC310192分贝SNR低功耗立体声ADC（X4）

- 绿色：S10530090 V6麦克风（X7）

以亚马逊的Echo为例，典型的信号通路形式如下图，其中两路模拟麦克风输出共用一颗双通道音频ADC，ADC将信号转换为I2S/PCM音频格式传送给应用处理器，应用处理器需要具有足够多通道的串行数据接口来接收I2S/PCM信号。

例如上图中的7颗麦克风，后续即需要4颗独立的音频ADC同时输出4路I2S/PCM信号， DM3725CUS100处理器具有多达5路的串行数据接口(MCBSP)兼容I2S/PCM 格式的音频信号。当然亦可采用通道数更多的音频ADC 。

3. 用I2S输出的数字麦克风形成的代替优化方案

相对于现在智能音箱“模拟麦克风 + 音频ADC + 处理器”的方案，敏芯可提供直接I2S数字输出的硅麦克风芯片，集成了上述“模拟麦克风 + 音频ADC”的功能。I2S麦克风芯片在芯片内部先将模拟信号数字化后再转化为标准的I2S信号，由于省去了音频ADC，可以实现可应用处理器的直连，节省BOM，节省PCB空间，使设计更简单化。 优化过的信号通路如下图所示：

4. 未来智能音箱的发展趋势 — 低功耗语音唤醒

目前的智能音箱解决方案为了保持声音识别功能，麦克风阵列、ADC以及后续处理算法始终保持在工作状态，因此功耗较大，这就造成了例如亚马逊的Echo必须插电工作。然而智能音箱是一类移动互联网时代的智能硬件，方便携带是其作为智能硬件的重要因素，插电工作必将严重影响产品的用户体验。

将来的新一代智能音箱，预期会借鉴智能手机中（例如中兴天机手机）的语音唤醒功能，即在低功耗模式下，只有麦克风以及专用语音芯片处于工作状态，而其他电路部分则处于休眠状态。只有麦克风侦测到用户设定的“特定语音信号”时，整个系统才被激活。通过语音唤醒功能，极大的降低了整个系统的整体功耗，才使用电池供电的智能音箱系统成为可能。

5. 敏芯推出之高一致性（灵敏度+-1dB）多模式数字I2S输出MEMS麦克风

苏州敏芯微电子技术有限公司研发的低功耗的多模式（Multi-Mode）数字I2S输出MEMS麦克风芯片，内置完整的24位I2S音频接口，无须额外添加Codec，可直接与DSP或MCU实现全数字化信号连接。可帮助音频系统设计师显著降低信号链设计复杂度并降低系统整体成本。在系统体积、成本、功耗和抗干扰性方面都具有极大的优势。

敏芯带I2S接口的麦克风具有极低的工作功耗，并特别集成了低功耗模式，两种模式之间可实现无缝切换。在普通模式下，产品以最优的性能指标工作，且具备业界同类产品之最低功耗（750uA）；在低功耗模式下，功耗进一步降低，麦克风可以在保证一定性能的情况下以极低的功耗持续运行，该特性使敏芯I2S麦克风尤其适用于需要语音唤醒的智能音箱类远场人机声音交互产品中。

此外，针对多麦克风降噪、波束成形等应用进行了优化，具有+/-1dB的超窄灵敏度公差控制，确保了产品之间的灵敏度匹配。

总而言之，敏芯发布之新产品在技术上的领先性体现为如下几方面：

- 在普通模式下，敏芯I2S麦克风已经具备业界同类产品之最低功耗（750uA）

- 业界首款多模式I2S输出MEMS麦克风

- 业界首款具有+/-1dB的超窄灵敏度公差控制的I2S输出MEMS麦克风

主要技术参数见下表。敏芯微电子未来还将继续持续开发新产品，例如将自动唤醒功能内嵌在麦克风芯片中。

6. 敏芯微电子的高一致性（灵敏度 +/-1dB 范围以内）多模式数字I2S输出MEMS麦克风与现有“麦克风 + 音频ADC”方案优缺点详细/对比

1) 现有“麦克风+音频ADC”方案成本高，需要配置单独的音频ADC，即使采用多通道，例如4通道输入的音频ADC。由于比双通道ADC具有更高的单价，不能很好起到降低成本的作用 。由于I2S麦克风采用了一体化的设计，综合使用成本低于采用音频ADC的方案。

2) 现有“麦克风+音频ADC”方案，由于音频ADC引入的信噪比恶化。以德州仪器TLV320ADC3101为例，其等效输入模拟噪声为-95dbV，对应一个标称-38dbv灵敏度的麦克风，最多只能达到57的信噪比，使得具有本征高信噪比的麦克风新能得不到体现。例如采用标称为 60dB信噪比的麦克风，最后由于采用音频ADC的缘故，整体只能达到 55.3dB左右的 整体信噪比，而采用 I2S麦克风则不会损失任何信噪比。

3) 敏芯I2S麦克风方案可以达到更低的整体功耗。仍然以TLV320ADC3101为例，ADC双通道同时开通时功耗为6mA ，加上模拟麦克风固有的 0.2mA×2=0.4mA 电流，而采用敏芯的低功耗I2S麦克风整体电流<2mA，虽然目前的主流的智能音箱都可采用外接电源的方案，但低功耗的需求已成趋势。

4) 极大程度的减小BOM和PCB空间，数字信号的互联不仅抗干扰强于模拟信号，BOM也能大为减小。

5) 相对于采用音频ADC的方案，I2S麦克风更适合语音唤醒，例如为了在待机模式下实现低功耗的运行，敏芯的麦克风支持低功耗模式，配合语音唤醒算法，使得使用电池供电获得更长的待机时间变得可行。

6) 相对于音频ADC多少会引入一些通道间的不一致，敏芯的麦克风出厂时具有很好的一致性（灵敏度+/-1dB变化范围以内），因此使用敏芯的I2S麦克风会使不同通道间匹配的更好。 尤其适合与对产品一致性要求较高的麦克风阵列应用。