让你的声音被听到：看看你的TWS耳塞是怎么设计的
作者：coventor（泛林集团旗下公司）资深应用工程师 arnaud parent 博士
我们曾在之前发布的文章《解读mems麦克风技术与设计》中指出，mems麦克风的需求是由客户所要求的音频功能驱动的，如立体声、语音识别、声音指向性、噪音消除等。为了实现这些音频特性，在最终问世的产品中需要使用多个mems麦克风来支持该功能。例如，最先进的智能手机可能包含多达6个麦克风。由于远程办公的需求提升，对mems麦克风的需求在一定程度上也加速提升。远程办公和在线会议正在成为新常态，如果没有好的语音输入系统（即麦克风），这些会议将不可能实现。
语音传感器正被用于真无线立体声 (true wireless stereo, tws) 耳塞。这些耳塞之间可以无线连接，并与智能手机或其他蓝牙设备连接。每个立体声耳塞包含一个扬声器（未来可能是一个mems微型扬声器）和多个mems麦克风。大多数高级tws系统中，每个耳塞包含三个mems麦克风：两个外部麦克风用于波束形成，一个内部麦克风用于主动噪声消除 (anc)。因为两个外接麦克风之间必须有一定的距离，所以典型的p型tws耳塞会有一个长条（如图1所示）。
图1：商业化的tws耳塞（图片出处：苹果公司）
主动降噪 (anc) 是无线耳塞的一个理想功能，它能成功地降低背景噪音和风噪声，但同时也会降低声音接收。由于这个问题，在语音通话时，anc经常被关闭[1]。为了克服这一局限性，一种新型的mems器件会通过骨骼和头骨振动直接捕捉声音，它被称为“语音拾取传感器 (vpu)”[2]或“语音拾取加速计”[1]，简称为“加速计”[3]，由一个具有mems麦克风频率特性的mems加速计构成。基本上，该器件是麦克风和加速计的混合体。一个简化的vpu传感器包括一个改良的mems麦克风（麦克风的膜片上附着一个质量块）和一个密闭的声音端口（图2）。
图2：mems麦克风（左）和语音拾取 (vpu) 骨传感器（右）示意图。注意vpu上增加的质量块和缺失的声音端口。
除了经改进的语音检测功能和背景噪声免疫，vpu在主动降噪应用中还有一些其他优势：
● 支持轻敲检测：这提供了一种交互方式来控制设备，例如轻触一次可以增加扬声器音量，轻触两次可以降低音量；
● 语音打断功能：即使在内部扬声器播放音乐时，vpu也能拾取语音活动，这意味着，即使在听吵闹的音乐时，依然可以听到谈话声；
● 由于没有使用或需要声音端口，vpu可以被完全密封包裹起来，更好地保护它免受外部环境污染。
图3：mems+ vpu模型 (图中所示为器件的1/4)
mems+®是coventormp®mems设计平台的一种工具，可用于设计mems麦克风、加速计和vpu传感器。mems+ vpu模型如图3所示。该模型能准确再现器件的非线性行为，这在电路和系统级设计中是至关重要的。同时，该模型还完全参数化，支持多物理建模。目前，mems设计软件的最新版本coventormp 2.0也已发布。该版本允许在mems设计中使用充电源，这是在实际配置中测试mems麦克风和vpu的关键。coventormp中的每一项功能都可以用于设计和开发高度先进的下一代语音检测设备。
随着新的应用和采用语音传感的新产品问世，对mems麦克风的需求将继续增加。支持高级功能的新型基于mems的语音传感器（如vpu），以及对新的、更好的语音感知解决方案的需求，将继续推动下一代mems麦克风和基于mems的语音感知产品的发展。
参考资料：
[1] vesper white paper, voice accelerometers in tws earbuds, a sensor and algorithm perspective
[2] paul clemens, sonion voice pick up (vpu) sensor, tdk developers conference 2018, santa clara marriott, september 17-18, 2018
[3] st-microelectronic brochure, lis25ba, low-noise, high-bandwidth accelerometer with tdm interface
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图1：商业化的tws耳塞（图片出处：苹果公司）
主动降噪 (anc) 是无线耳塞的一个理想功能，它能成功地降低背景噪音和风噪声，但同时也会降低声音接收。由于这个问题，在语音通话时，anc经常被关闭[1]。为了克服这一局限性，一种新型的mems器件会通过骨骼和头骨振动直接捕捉声音，它被称为“语音拾取传感器 (vpu)”[2]或“语音拾取加速计”[1]，简称为“加速计”[3]，由一个具有mems麦克风频率特性的mems加速计构成。基本上，该器件是麦克风和加速计的混合体。一个简化的vpu传感器包括一个改良的mems麦克风（麦克风的膜片上附着一个质量块）和一个密闭的声音端口（图2）。
图2：mems麦克风（左）和语音拾取 (vpu) 骨传感器（右）示意图。注意vpu上增加的质量块和缺失的声音端口。
除了经改进的语音检测功能和背景噪声免疫，vpu在主动降噪应用中还有一些其他优势：
● 支持轻敲检测：这提供了一种交互方式来控制设备，例如轻触一次可以增加扬声器音量，轻触两次可以降低音量；
● 语音打断功能：即使在内部扬声器播放音乐时，vpu也能拾取语音活动，这意味着，即使在听吵闹的音乐时，依然可以听到谈话声；
● 由于没有使用或需要声音端口，vpu可以被完全密封包裹起来，更好地保护它免受外部环境污染。
图3：mems+ vpu模型 (图中所示为器件的1/4)
mems+®是coventormp®mems设计平台的一种工具，可用于设计mems麦克风、加速计和vpu传感器。mems+ vpu模型如图3所示。该模型能准确再现器件的非线性行为，这在电路和系统级设计中是至关重要的。同时，该模型还完全参数化，支持多物理建模。目前，mems设计软件的最新版本coventormp 2.0也已发布。该版本允许在mems设计中使用充电源，这是在实际配置中测试mems麦克风和vpu的关键。coventormp中的每一项功能都可以用于设计和开发高度先进的下一代语音检测设备。
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参考资料：
[1] vesper white paper, voice accelerometers in tws earbuds, a sensor and algorithm perspective
[2] paul clemens, sonion voice pick up (vpu) sensor, tdk developers conference 2018, santa clara marriott, september 17-18, 2018
[3] st-microelectronic brochure, lis25ba, low-noise, high-bandwidth accelerometer with tdm interface
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