智能手机的声音系统设计解决方案.doc

智能手机的声音系统设计解决方案大家下午好！我是Knowles电子的销售王强，今天带给大家的信息是未来的手机设计对声音这方面的一些要求。在我介绍之前，我先简单地介绍一 下 Knowles公司，这个公司实际上一直专注在声学的领域，到现在已经有超过60年的历史。有几个重要的里程碑，大家可以看到，实际上在阿波罗登月的时 候，上面用的麦克风就是Knowles的产品。还有一个比较重要的里程碑，我想关于麦克风现在很多人已经比较熟悉，这个产品实际上在Knowles 1986年就在研发，但这个产品一直到2003年初才在市场上量产，所以整个研发过程花了10年的时间，这个在一般的公司，这么长的研发投入期简直不可想 象。我在麦克风行业已经有很多年，在我刚刚进入这个行业时有一种非常不好的印象。因为手机实际上是个通讯工具，但很多人不太在意麦克风，我甚至觉得 有些工程师在想是不是可以省掉麦克风！但现在越来越多的人，甚至包括运营商，由于运营商的推动或不同降噪公司、芯片厂商的努力，大家对于手机通讯的品质越 来越重视。说到这里还得先对本次研讨会的主办方中国电子展（CEF）、电子元件技术网及我爱方案网（www.52solution.com） 说声感谢！能让有这个机会站在这里跟大家交流！好话说回来，大家之所以这么重视，这一点实际上从我们现在整个产品的出货量上面已经得到了比较好的体现。在 我们谈到麦克风时有两个最基本的用途：一是语音通讯，二是录音。但实际上，我想你们可以看到现在随着手机功能的不断强大，很少有人再拿着摄像机或者照相 机，基本上拿着手机在外面随时随地拍摄一些短片和照片上传到网上。这是现在手机具备的一些基本功能：摄像、拍照，甚至随着3G的应用，提供了更大的带宽， 以及上网的速度更快。所以大家随时可以通过手机做一些社交活动。随着像iPhone 推出来的Facetime、MonoTouch等基于网络通讯的即时通信手段，现在不断植入到手机里，所以这些对语音的要求，实际上会越来越苛刻、越来越 严格。我们在谈到录像时，实际上现在很多手机已经具备很强大的对图象品质方面的严格要求，比如HDTV，或者SD图象、SD Video。现在有一些手机甚至具备HDMI的接口，但是在我们谈到声音，大家去录像时发现图象非常好，但有时声音是一团的糟。接下来的语音通讯，我想大家可以看到现在在欧洲已经是宽带的语音通讯。欧洲在2014年准备强制推行超宽带，但我们国内是什么状况？国内还是窄 带，4G通讯的带宽。这是我们在实际应用当中碰到的不同的一些语音通讯时的场景。大家可以看到左上角，你在周边环境噪声比较小，比较安静的情况下，你讲电 话时，比较近距离的讲电话，这时候噪音不是主要的问题。再到右上角你就会看到，比如在一个公共场合的噪声环境时，这时候对声音方面的挑战，这时有很多厂商 在提供降噪的算法，在处理环境噪声的问题。另外针对speak phone状态时，对声音、对麦克风到底有什么新的要求？在speak phone的情况下，在边上嘈杂环境时，我想这对各位的挑战就更大。基于运营商的角度，他有什么要求？我想运营商有两个基本的要求：一是通话的时长，你讲话越长，运营商越赚钱。二是数据的流量，如果你数据流量使 用得越多，运营商就越高兴。所以接下来3G的时代，实际上是运营商主导手机市场的时代，甚至运营商逐渐参与到对手机标准的定制当中。接下来我们对声音方面 需要做哪些应对措施？在录音的时候有两种情况：一种是非常安静的情况，一种是非常嘈杂的情况，这时候你怎么样做到立体声录音？怎么样达到Audio很好的 效果？甚至大家可能会碰到一种情况，你拿一个手机或者拿任何一个摄像机到外面去拍你小孩玩耍的镜头，他一下子跑远了，你可以通过焦距的变化很容易把小孩子 的图象抓得很清楚，但是声音怎么办？所以现在也有一些新技术在提供一种Audio zoom的解决方案，这时候声音也可以调整，通过特别的算法来处理。刚才我讲了我们实际应用的一些情况，这些情况对各位做手机设计带来的挑战是什么样子？在不同的噪声环境下，这时候是在比较嘈杂的环境下，我想各 位都希望得到清晰、非常容易辨识的通话效果。刚才Audience的朋友，包括一些芯片厂商，他们都在提供降噪方案，这时候肯定会有不同的方案供大家去选 择。在针对多媒体录音方面，你可能需要更高的灵敏度，更高的HDTV，还有更高的降噪比，更宽的屏宽，以达到更好的录音效果。在一个非常安静的噪音情况 下，这时候对麦克风的挑战是怎样的？可能你噪声环境比较大时，麦克风的本体噪声不重要。但是在非常安静的时候，比如一个演唱会，你要去录钢琴演奏的声音， 会场非常安静。这时候最主要的噪音源就是麦克风的本体噪音。然后还有一个最大的挑战，就是麦克风的一致性和可靠性有非常大的影响。实际上对Knowles来 讲，我们关注在声音方面，所以我们对声学的测试，除了我们自己提供非常好的辨声产品之外，我们对声学的测试也花了很多努力。在模拟不同的噪声环境，比如在 Babble这个环境下，主要是人的噪声，你讲时，周围有很多其他人讲话的声音。在餐厅里面，你会碰到的不仅仅是讲话的声音，这时候你碰到的背景噪声是盘 子、碗、餐具碰撞的声音。还有风噪，你在室外讲话，风噪是非常低频的噪声。我们把噪音基本上分为Non-Stationary noise和Stationary noise。基本上稳态的噪声，比如在车里面、旅行或一些比较稳定的噪声，这通过一些算法是很容易去掉。对于非稳态的噪声，语音还有一些其他的噪声，因为 它跟语音的频率、频段有些差异，这个比较容易，但是风噪，是比较困难的，它有时候非常容易让麦克风处于饱和状态，风噪非常大，麦克风接受不了其他的声音。 Knowles有两个声学实验室，一个在美国，一个在苏州。实验室可以去模拟不同的噪声环境，然后去比较一下不同的算法对噪音消除的效果；同时我们也非常 好的了解到不同噪音消除的算法对麦克风的性能有什么特别的要求。这是我们比较一些算法的结果：实际上有一些算法，不同的颜色代表了不同的算法。大家可以看到左边这个坐标代表我前面介绍的不同状况下的噪声，实 际上没有一种算法能把所有的噪音都做得非常完美。通过我们的测试可以看得到有些不同的算法对一些稳态的噪声有比较好的消除效果。对非稳态的噪声，大家可以 看到右边的纵坐标有一个分值，分值是表示不同算法的效果，分值越高效果越好。对Knowles来讲，用我们的麦克风产品去配合不同算法时也得到了非常好的 效果。你看分值最高的，基本上是用Knowles的麦克风。这是目前市场上比较通行的几种降噪算法，ANC是最早的，现在在市场上已有几十年。现在比较常用的算法是基于CASA、PhaT这几个是最新的 算法，我想 Audience的算法基本上是基于CASA的基础上延伸出来的。不同的算法，最外面的这一圈是不同的算法对麦克风的不同要求，基本上有些设计对麦克风灵 敏度需求高、相位差要做到非常小，还有麦克风的一致性。这里我简单做了一个Summary，在手机设计当中有一个麦克风，以及两个麦克 风，甚至多个麦克风时，你怎么样去选择合适的麦克风产品？我在想一般你用一个麦克风时，我想普通的模拟信号麦克风可以解决问题。你需要达到更好的条件，你 可能需要一个金属麦克风，可以避免RF的干扰。这时候数字麦克风不推荐使用，是因为数字麦克风的成本毕竟会比较高。当用到两个麦克风时，我们推荐用RF麦 克风和数字麦克风，因为对你的线路设计更方便。当用到多个麦克风时，不得不选择数字麦克风，因为这时候线路是一个很大的问题。刚才我介绍的是这样一些内 容，这是Knowles全球分布的状况。谢谢大家！那今天演讲就先到这里，更多的内容可以去主办方网站上看：http:/www.cntronics.com/public/seminar/content/type/article/rid/213/sid/52！下 面是大家更关注的提问、问题实战环节！提问：您好，我想问一下从做麦克风的角度来说，麦克风的相位差异和灵敏度的差异哪个难度更高一点？王强：灵敏度的差异，基本上现在比较 容易去实现，实际上对麦克风本体来讲都不是特别大的挑战。对麦克风的灵敏度，因为现在半导体的技术，麦克风的（ACK）非常地关键。未来我们可以提供正负 1、0的麦克风，我可以一次性的把（ACK）直接烧好之后，knowles出来的麦克风灵敏度都保持在正负1 之内。但谈到相位的话，因为很多时候跟手机的结构设计相关。你把麦克风摆在手机不同的位置，比如不同的算法对麦克风的位置是不一样的。比如像 Audience，大家知道苹果的手机用到Audience，他们卖得非常好。像Audience，它基本上对麦克风摆放的位置一个在上面，一个在下面。 但我们也看到其他不同的算法，比如高通自带的麦克风会放上面一个、背后一个，所以这些都造成相位的差异，相位的差异在设计上并不完全由麦克风决定的。提问：您的意思是说麦克风本身的相位差异很难缩到很好？王强：我想你说的这是一个问题，一般麦克风本身的相位差异可能做得比较好，相位 差异大概小于2度，甚至有很多算法，它对麦克风相位差实际上有一个可接受的范围，所以相位差越小对麦克风来讲越好。提问：还有一个问题，现在Knowles可以达到wifi的要求吗？王强：是这样，我们很多麦克风可以达到wifi的要求。我倒是觉得 目前wifi并不是对麦克风常压的挑战，而是对运营商的挑战会多一点。因为早期的手机设计，包括我们目前在国内市场销售的手机绝大多数还是在窄带的音频。比较了算法以后，我们来看看什么样的麦克风才是最好的麦克风。这里很多客户给出了一个非常完美的答案，当然这是一个非常完美的麦克风。一是非常 高的降噪比；二是非常小的尺寸。因为按照手机现在的算法，通常配的不只是一个麦克风，手机对麦克风的应用趋势是2-4个麦克风，所以就需要麦克风的尺寸更 小。然后你的平滑曲线要更平，达到宽平的要求。在做录音时，麦克风必须还能承受很高的SPL，就是声音的响度。比如演唱会，周围的喇叭声音非常高，麦克风 就会死掉，不工作。另外是对灵敏度的差异范围、相位的差异要非常小。另外在手机上面，大家知道手机现在越做越复杂，对声音挑战、应用挑战更大，很大程度是 来自于手机板上的硬件设施。比如以前的手机做得很简单，比较大，天线在上面，麦克风在下面。现在手机越来越复杂，放6-7个天线，天线不能扎堆放在一起， 所以很多天线必须放在下面来，离麦克风很近，很多人都会觉得RF问题是很大的苦恼。Knowles可以给大家提供一个什么样的产品呢？实际上这个是基于Knowles现在在各方面具备的技术背景的条件下。比如我们谈到硅麦时， 其实硅麦不仅仅是变声的技术，它是不同学科技术的一个融合，比如半导体技术。Knowles现在可以研发自己的MEMS技术，我们有自己的ASIC设计团 队，自己设计麦克风的封装，我们有自己独立的工厂做封装和测试。所以这一系列的便利条件让Knowles可以在更快、更短的时间做出更新的产品，适合大家 的需求。目前我们可以提供23种不同型号，5 footprints，还有2种不同开孔的方向，一个是板上行，一个是板下行。另外RF比较关注的话，我们有3种不同RF Protection levels，所以你看麦克风的尺寸也是越来越小。大家可以看到Knowles硅麦发展的历程。早期的麦克风我们已经停产了，大家可以看到早期的麦克风非常大。现在还有一些工程师比较喜欢用 ECM麦克风。早期的麦克风，纵坐标表示面积，我们第一代产品的面积基本上在16米毫米。到今年2011年，我们量产的麦克风面积大概不到6毫米，所以麦 克风已经缩小了非常多。麦克风缩小给人带来什么样的便利？在设计上更有弹性、更便利，产品可以做得更小一点。另外是它的灵敏度，从最早的58到68。还有 一些宽屏的应用。这个是对RF的保护，我们的RF现在可以做到很好的抗干扰。这是实际测试的效果，用我们金属的麦克风可以把TDMA Wind Noise降低30个DB，可以达到更好的抗干扰的效果。另外我们的麦克风也有一些特殊的设计，在低频可以把风噪降低15DB，有一个很好降风噪的效果。 这是对模拟麦克风来讲一些主要的优点。我顺便提一下，因为我们看到未来手机设计实际上对数字麦克风有更多的要求，为什么会有这样的要求呢？大家可以有很好 的解决方案。比如语音降噪，我有很好的麦克风产品。接下来讲大家比较关注的系统噪声问题。从麦克风出来到Digitized，所以这就是为什么我需要数字麦克风。数字麦克风可以更多的降低一些模 拟噪声，因为大家在线路上碰到的是模拟噪声，数字麦克风可以直接避免这些噪声的干扰，另外对线路的设计会更加方便。我们目前来讲，数字麦克风是PDM信号 的格式，接下来可能会有PCM信号的麦克风在市场上。目前来讲，这是我们两个灵敏度比较高的数字麦克风。大家可以看到不同的Analogue。时间不够 了，今天就先跟大家聊到这里，大家如果原因跟本人认识可以等会议结束后找我换名片，或是委托主办方电子元件技术网来跟我接触！谢谢！