MEMS 麦克风阵列波束成形：完整工程指南

导言

语音控制系统已成为现代电子产品的基本接口。智能扬声器、人工智能助手、会议系统、汽车语音控制以及 AR/VR 设备都需要在复杂的声学环境中进行准确的语音捕捉。.

然而，现实世界中的环境往往包含以下内容：

• 背景噪音
• 混响
• 相互竞争的发言者
• 机械振动
• 风噪

微机电系统 （MEMS）麦克风阵列与波束成形算法相 结合，能使系统分离出所需的语音信号，同时抑制不需要的噪声源。

与传统的单麦克风解决方案相比，麦克风阵列可以显著提高性能：

• 信噪比（SNR）
• 语音清晰度
• 方向灵敏度
• 远场语音检测

现代阵列通常使用 高性能 MEMS 麦克风 由于其体积小、生产一致性好、数字接口兼容性强。.

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目录

1. 什么是 MEMS 麦克风阵列
2. 波束成形为何重要
3. MEMS 与 ECM 麦克风
4. 波束成形算法详解
5. 高 SNR 麦克风的重要性
6. 麦克风阵列设计指南
7. 实际应用
8. SISTC MEMS 麦克风解决方案
9. 常见问题

什么是 MEMS 麦克风阵列

麦克风阵列由按几何图案排列的多个麦克风组成。.

当声音到达每个麦克风时，根据声音的方向不同，到达的时间也略有不同。数字信号处理器会对这些时间差进行处理，以确定声音到达的方向，并增强所需的信号。.

典型的阵列几何形状包括

• 线性阵列
• 圆形阵列
• 平面阵列
• 分布式阵列

麦克风阵列可实现先进的音频功能，例如

• 定向声音采集
• 远场语音识别
• 空间音频处理
• 声场分析

波束成形为何重要

波束成形是一种关键的信号处理技术，可使麦克风阵列聚焦于来自特定方向的声音。.

波束成形系统不能从所有方向均等地捕捉声音，而是可以从所有方向捕捉声音：

• 增强来自目标方向的信号
• 抑制环境噪音
• 减少混响
• 提高语音识别准确率

这对于在嘈杂环境中运行的声控设备至关重要，例如在嘈杂环境中运行的声控设备：

• 会议室
• 公共空间
• 车辆
• 工业环境

MEMS 麦克风与 ECM 麦克风对比

由于具有可扩展性和集成优势，MEMS 麦克风已成为现代麦克风阵列的主流技术。.

波束成形算法详解

不同的波束成形算法具有不同的性能特点。.

最广泛使用的算法包括

• 延迟和波束成形
• 差分波束成形
• 最小方差无失真响应 (MVDR)

延迟和波束成形

延迟与和是最简单的波束成形技术。.

每个麦克风信号都会被延迟，以便在信号相加之前，来自目标方向的声音以相位方式到达。.

优势

• 简单执行
• 计算成本低
• 提高系统信噪比

当传声器数量增加一倍时，阵列信噪比大约增加 3 分贝.

然而，方向性是有限的，并随频率而变化。.

差分波束成形

差分波束成形利用麦克风信号之间的差异来创建定向灵敏度。.

双麦克风差分阵列可产生一个 心形拾音模式, 这样可以大大降低来自后方的声音。.

优势包括

• 更强的离轴噪声抑制
• 可预测的定向响应
• 紧凑型阵列配置

然而，差分波束成形会带来高通频率响应，必须对其进行均衡。.

MVDR 波束成形

最小方差无失真响应（MVDR）是一种广泛应用于现代语音接口的自适应波束成形算法。.

MVDR 可动态调整麦克风权重，在保留所需方向信号的同时最大限度地减少噪音。.

优势

• 自适应噪声抑制
• 定向精度高
• 提高动态环境中的性能

MVDR 常用于：

• 智能扬声器
• 会议系统
• 汽车语音助手

参考资料

MathWorks 波束成形概述
https://www.mathworks.com/help/phased/ug/beamforming-concepts.html

高 SNR MEMS 麦克风的重要性

麦克风自噪声会直接影响波束成形性能。.

更高的信噪比麦克风可提供

• 更高的波束成形精度
• 降低系统本底噪声
• 改进的远场语音检测
• 更好的自适应算法性能

高 SNR 传声器还允许设计人员使用更少的传声器实现相同的系统 SNR，从而降低成本和系统复杂性。.

麦克风阵列设计指南

设计传声器阵列的工程师应考虑几个关键参数。.

麦克风间距

典型的间距范围为

5 毫米 - 50 毫米

影响间距：

• 空间混叠
• 可用带宽
• 定向性能

麦克风数量

更多麦克风得到改进：

• 波束成形精度
• 噪声抑制

不过，它们也会增加：

• 数字信号处理器的复杂性
• 功耗

麦克风匹配

阵列性能在很大程度上取决于麦克风的一致性。.

重要参数包括

• 灵敏度匹配
• 相位匹配
• 频率响应一致性

高质量 MEMS 麦克风可提供出色的设备间匹配。.

实际应用

波束成形 MEMS 麦克风阵列广泛应用于现代电子产品。.

智能扬声器

远场语音捕捉和唤醒词检测.

视频会议系统

会议室内清晰的语音捕捉.

汽车语音界面

在嘈杂的车内发出可靠的语音指令。.

AR/VR 设备

身临其境的空间音频捕捉.

工业语音控制

在嘈杂环境中免提操作。.

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SISTC MEMS 麦克风解决方案

SISTC 提供先进的 MEMS 麦克风解决方案，专为高性能麦克风阵列而设计。.

主要功能包括

• 高信噪比
• 稳定的相位匹配
• 数字音频接口
• 可扩展阵列集成

了解更多信息：

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常见问题

什么是麦克风阵列中的波束成形？

波束成形是一种信号处理技术，它使用多个麦克风集中处理来自特定方向的声音，同时抑制来自其他方向的噪音。.

为什么 MEMS 麦克风广泛应用于麦克风阵列？

MEMS 麦克风体积小、制造一致性好，而且易于与数字电子设备集成。.

波束成形需要多少个麦克风？

简单的阵列可使用两个麦克风，而高级系统可使用 4-8 个麦克风或更多，具体取决于性能要求。.

波束成形麦克风的建议信噪比是多少？

带 80 dB SNR 或更高 建议用于高性能波束成形阵列。.

结论

波束成形麦克风阵列已成为现代语音系统的一项基本技术。.

通过将先进的信号处理算法与高性能 MEMS 麦克风相结合，工程师可以设计出即使在具有挑战性的声学环境中也能可靠捕捉语音的音频系统。.

高 SNR MEMS 麦克风通过降低噪音和实现更精确的信号处理，进一步提高了波束成形性能。.

SISTC 提供一系列 MEMS 麦克风和传感器模块解决方案，专为波束成形麦克风阵列和人工智能语音应用而设计。.

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