德州仪器 -- 智能音箱设计中的重要考量要素：剖析设计的的利与弊( 七 ) 北京2019年4

基于微电子机械系统(MEMS)的“模拟”麦克风。它带有集成前置放大器，搭配外部 24位音频模数转换器(ADC) ，可将格式化数字代码输出到 SoC 。
基于MEMS的“数字”麦克风。它带有单比特一阶Δ-Σ调制器ADC ，可输出脉宽调制 (PDM)数字比特流，需要进一步滤波以创建格式化数字代码。无论是专用于语音识别的SoC ，还是数字信号处理器(DSP)都必须处理这种滤波。独立的语音 DSP可减轻SoC的大量处理工作，却也会增加成本。

数字麦克风的价格比模拟麦克风更昂贵，但模拟麦克风的 SoC前端也将需要额外配有的 ADC 。鉴于传感器尺寸需适应麦克风封装内的 ADC以及集成 ADC本身的性能限制，与带有单独 ADC的模拟麦克风比较起来，数字麦克风还具有较低的信噪比(SNR) 和较小的动态范围。常见的数字麦克风的 SNR约为65dB ，动态范围约为104db 。当 ADC集成后，我们就无法通过滤波和过采样进一步提高 SNR或动态范围。

另一方面，模拟麦克风与外部 ADC相结合，其 SNR 或动态范围（两者在 ADC中的意义等同）可高达120dB 。这种外部 ADC通常是 24位多通道高精度音频ADC ，采用具有高过采样功能的三阶或四阶 Δ-Σ 调制器。它们还集成了复杂的可编程数字抽取滤波器；具有可配置的自动增益控制功能的 PGA以及用于额外噪声过滤和均衡的微型DSP 。如果在典型的拥挤房间内或正在播放音乐的房间内，周围环境中的声音级别很容易达到 60dB ，除非终端用户靠近麦克风或者使用更多的麦克风来使其指令远高于环境音，否则，数字麦克风的较低动态范围就可能导致无法正确识别语音指令，动态范围从 104dB提升至 120dB ，将会带来惊人的效果，这需要我们认真考虑。如果我们将动态范围提高6dB ，那就可以让语音识别范围扩大一倍。在某些时候，过多地扩大动态范围是不切实际或是无用的，但您也可以凭此获取更多的设计空间。额外增加 14dB的动态范围后，您可以通过减少所需的麦克风数量来节约成本。增加字麦克风后，除了会增加成本外，系统还会按照 SoC自身可用的PDM输入数量将每对麦克风的三条信号迹线（数据和时钟）路由到 SoC ，进而增加了布局复杂性，因此这是不可行的。事实是，每条信号迹线都会接受和/或辐射噪声，这会让电磁干扰成为更大的问题。最后，运行至每个数字麦克风的时钟线路会造成路由和抖动方面的难题。目前模拟麦克风具有不同的输出，支持对信号布线的共模抑制。 ADC还为每个麦克风提供偏置电源，可为阵列降低电源树的复杂性。