敏芯股份骨振动传感器在TWS耳机中的应用

敏芯股份骨振动传感器在TWS耳机中的应用,第1张

【导读】TWS(True Wireless Stereo)真无线蓝牙耳机与传统耳机相比,具有极高的便携性。随着主动降噪、空间音频等新功能的加入,TWS耳机的功能性更加丰富,使用体验得到不断提升,更加促进TWS耳机的快速普及。


日常生活中,语音通话的应用场景比较复杂,比如在地铁上、办公室里、机场等公共场所,对通话效果有很高的要求,在上行通话中,环境噪音的消除成为刚性需求。如何能够更进一步提升TWS耳机的通话降噪效果,从而凸显产品的差异性,提升产品的竞争力,成为众多厂商布局产品的重点方向之一。


骨震动传感器的检测原理


人在说话时,声带产生的振动信号,有两种方式进行传播:一种是通过空气介质向外传播,另一种方式是通过人的颅脑骨骼、肌肉向外传播,引起耳廓的振动。骨振动传感器就是利用后者的传播方式,检测耳廓的振动信号,拾取佩戴者的语音信息。骨振动传感器对于空气中传播的声波信号不敏感,对空气中传播的声音信号具有天然的抑制作用,因此,通话降噪算法更简单,更自然,噪声抑制更有效,可以提供效果更佳的上行通话效果。


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TWS耳机降噪方法的对比


市场上TWS耳机种类繁多,对于ENC(Environmental Noise Cancellation)降噪方面,根据不同的价格及性能定位,有单麦克风、双麦克风、三麦克风以及骨振动等多种产品形态。


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单麦克风方案价格有优势,主控芯片要求门槛更低,结构不受限,利用神经网络算法,识别滤除噪声信号。不过单麦克风方案降噪效果一般,对于复杂场景的噪声识别及压制不是很明显。双麦克风可适配多种形态,在大多数高噪场景下有比较好的体验,性价比高,是目前ENC降噪的主流方案。


双麦ENC降噪,利用有一定间距的两颗麦克风,这样才可以识别不同方向的声音信号,两颗麦克风的最小间距一般要求10mm。算法上用相对成熟的波束成形(beam forming)算法,波形指向配戴者说话的音源,在音源方向增强信号灵敏度,在其它方向压制信号灵敏度,从而实现噪声的消除。


三麦ENC降噪一般复用ANC主动降噪反馈麦克风(Feedback Microphone,FB),FB麦克风用于检测声带通过耳蜗传递到耳机的声音信号,另外由于FB麦克风深处耳道内部,主动降噪耳机大部分为入耳佩戴方式,耳机的橡胶套有比较好的密封效果,可以隔离外界环境噪音。三麦ENC降噪,可适用于大多数场景,抗风噪能力佳,但是算法复杂,价格相对高。


麦克风与骨振动相结合,抗环境人声干扰性能更佳,通话者人声失真度小。风噪是大部分耳机的一个痛点,当风速大于5m/s时,麦克风会出现饱和失真,此时麦克风丧失捕捉语音信号的能力,骨振动传感器对空气波动不响应,所以即使在大风速情况下,依然能准确捕捉到语音信号。另外对于豆式耳机,由于空间紧凑,体积小,两颗麦克风很难拉开距离,所以这种情况下双麦ENC降噪效果欠佳。一颗通话麦克风加一颗骨振动传感器,可以实现比较好的通话效果,抗风噪能力强,噪声抑制效果佳,算法上也无需复杂的波束成形,简单的语音算法就可以实现,方案的整体性价比高,为越来越多的耳机厂家所采用。


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骨震动传感器的器件设计


基于MEMS微加工技术,在硅衬底上加工形成微米级尺寸的d性梁结构以及一定重量的质量块,构成振动敏感的力学结构。质量块上的电容极板与衬底上的电容极板构成梳齿形可动电容,当有振动施加到器件上时,质量块产生振动,带动电容梳齿产生振动,电容两极板之间间距变化,因此电容产生变化。


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器件内部的ASIC芯片将微弱的电容信号提取、转换以及放大,将振动信号以电压的形式输出,与传统硅麦的输出信号相似,便于蓝牙主控进行信号处理。


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采用Metal-Lid LGA的封装,整体外观呈现为PCB基板与金属壳组合形式。PCB基板位于底部,基板正面及背面分布有各路信号走线,背面设有引出电极。基板四周分布有划锡沟道,使顶部金属壳通过焊锡与基板连接,以实现完整电磁信号屏蔽。LGA内部主要由MEMS芯片与ASIC芯片组成。MEMS芯片贴装于PCB基板,ASIC芯片贴装于MEMS芯片上,构成上下堆叠的形式,使结构更紧凑,空间利用率更高。MEMS芯片与ASIC芯片、ASIC芯片与PCB基板之间,均通过Wire-Bonding的方式实现信号互联。2.7 x 1.8 x 1.1mm的封装尺寸,小巧紧凑,与标准麦克风尺寸兼容。


器件的灵敏度为-26dBV/g @1kHz,信噪比为55dB,谐振频率为4kHz。一般而言,语音信号的带宽为1kHz左右,因此器件频率响应在1.5kHz以内平坦,更便于算法处理。


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