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English 摘要
在现代音频系统中，多麦克风阵列正逐渐取代单麦克风解决方案，以实现卓越的声学性能并改善用户体验。人工智能语音界面、智能扬声器、视频会议系统、AR/VR 设备和工业语音控制等应用要求即使在嘈杂和混响环境中也能准确捕捉语音。.
本技术白皮书探讨了麦克风阵列波束成形的原理，并演示了如何 高信噪比 MEMS 麦克风例如 SISTC WBC系列, 通过将先进的 MEMS 麦克风技术与现代波束成形算法（包括延迟和差分波束成形和 MVDR）相结合，工程师们可以设计出具有更高扩展性的麦克风阵列。通过将先进的 MEMS 麦克风技术与现代波束成形算法（包括延迟和、差分波束成形和 MVDR）相结合，工程师可以设计出具有更高指向性、更宽带宽和更高系统级 SNR 的可扩展麦克风阵列。.
了解有关 SISTC 麦克风技术的更多信息：
MEMS 麦克风产品组合
https://sistc.com/product-category/mems-microphone/
传感器和智能音频模块
https://sistc.com/product-category/sensor-module/
1.导言
在实际环境中捕获干净的音频信号是一项挑战。从安静的会议室到拥挤的公共场所或受风和环境噪声影响的室外环境，声学条件千差万别。.
传统 单麦克风系统 无法轻易区分所需信号和背景噪声。因此, 多麦克风阵列解决方案 已被现代音频设备广泛采用。.
通过将多个麦克风按空间配置排列并应用数字信号处理算法，麦克风阵列可以
- 提高信噪比 (SNR)
- 提高方向灵敏度
- 抑制环境噪声
- 启用空间音频处理
这些功能大大提高了语音驱动系统的性能，例如
- 智能扬声器
- 视频会议系统
- 汽车语音助手
- AR/VR 音频系统
- 工业语音控制设备
高性能阵列要求麦克风能将以下功能结合起来 体积小巧、生产一致性高、数字输出和高信噪比.
2.麦克风阵列中的 MEMS 麦克风与 ECM 比较
从历史上看，阵列设计人员主要在两种传声器技术之间做出选择：
驻极体电容式麦克风 (ECM)
优势
- 高信噪比性能
局限性：
- 更大尺寸
- 模拟输出需要外部 ADC
- 设备与设备之间的差异
- 校准复杂性
- 难以大规模制造
这些局限性使得 ECM 解决方案难以扩展到现代消费电子产品。.
MEMS 麦克风
MEMS 麦克风具有多项优势：
- 外形紧凑
- 卓越的设备一致性
- 数字输出格式（PDM、I²S、TDM）
- 表面贴装兼容性
- 大批量制造能力
然而，传统 MEMS 麦克风的信噪比性能可能有限，这会限制阵列在要求苛刻的应用中的性能。.
3.SISTC WBC 系列 MEMS 麦克风
目前 SISTC WBC 系列 MEMS 麦克风 旨在克服传统 MEMS 解决方案的局限性。.
主要功能包括
- 最多 80 分贝信噪比
- 146 dB 声学过载点
- 24 位数字输出
- 宽动态范围高达 132 dB
- 优秀 相位和灵敏度匹配
这些特性使工程师能够构建可扩展的麦克风阵列，并提高性能。.
探索 SISTC MEMS 麦克风解决方案：
https://sistc.com/product-category/mems-microphone/
WBC 系列还支持高度可扩展的阵列，允许 多个麦克风共享数字接口, 简化了复杂音频设备的系统集成。.
4.利用麦克风阵列实现指向性
大多数 MEMS 麦克风都是 全方位, 这意味着它们能从各个方向捕捉到相同的声音。.
定向灵敏度可在 系统级 使用麦克风阵列.
当多个麦克风放置在不同的空间位置时：
- 声音到达每个麦克风的时间略有不同
- 这些延迟可以通过数字方式处理
- 系统可以强化来自所需方向的信号，并抑制其他方向的信号
这构成了 波束成形技术.
麦克风阵列波束成形使系统能够
- 关注特定发言人
- 减少背景噪音
- 跟踪移动声源
- 提高语音清晰度
5.波束成形算法
波束成形通常在 DSP 或 SoC 使用各种信号处理算法。.
最常用的波束成形算法包括
- 延迟和波束成形
- 差分波束成形
- 最小方差无失真响应 (MVDR)
每种方法在复杂性、方向性和计算要求方面都有不同的权衡。.
6.延迟和波束成形
延迟与和是最简单的波束成形技术之一。.
每个麦克风信号都会被延迟，从而使来自所需方向的信号在相位上保持一致。然后，对齐后的信号进行求和，在增强目标信号的同时，部分消除来自其他方向的噪音。.
优势
- 简单实施
- 平坦的频率响应
- 提高系统信噪比
当麦克风数量增加一倍时，系统信噪比通常会提高大约 3 分贝.
然而，方向性是有限的，离轴抑制随频率而变化。.
7.差分波束成形
差分波束成形使用 传声器信号之间的差异 以实现定向灵敏度。.
一个简单的双麦克风差分阵列可以产生 心形拾音模式, 这样可以大大减弱来自后方的声音。.
福利包括
- 强大的离轴噪声抑制能力
- 更好的低频指向性
- 可预测的定向响应
然而，差分波束成形会带来 高通滤波器特性, 这就需要均衡，并可能增加噪音水平。.
使用 高 SNR 麦克风, 如 SISTC WBC 系列，可减少这种限制并提高系统的整体性能。.
8.自适应波束成形（MVDR）
最小方差无失真响应（MVDR）是一种更先进的自适应波束成形算法。.
MVDR 可动态调整麦克风增益和延迟，以便
- 保持对目标信号的灵敏度
- 尽量减少来自其他方向的干扰
该算法分析输入信号并优化滤波器参数，以抑制噪声源。.
MVDR 波束成形通常用于
- 智能扬声器
- 语音助手
- 电话会议系统
- 汽车语音控制
高 SNR 麦克风可为算法提供更纯净的输入信号，从而显著提高 MVDR 性能。.
9.高信噪比麦克风在波束成形中的重要性
麦克风自噪声会直接影响阵列性能。.
高 SNR 麦克风有几个优点：
提高系统信噪比
较高的麦克风信噪比可减少实现目标系统信噪比所需的麦克风数量。.
增加带宽
紧凑的麦克风间距既能保持完整的音频带宽，又能保持指向性。.
增强算法性能
MVDR 等自适应算法依赖于准确的信号检测。降低麦克风噪音可以更准确地估计声音方向和噪音特性。.
10.超越波束成形：完整的音频处理
波束成形通常与其他音频处理技术相结合，包括
- 声学回声消除（AEC）
- 噪音抑制
- 自适应干扰消除
这些技术相互配合，可为通信和语音识别系统提供纯净的音频信号。.
参考实施范例：
MathWorks 波束成形概述
https://www.mathworks.com/help/phased/ug/beamforming-concepts.html
高通智能扬声器参考设计
https://w.dspconcepts.com/reference-designs/qualcomm-qcs400-smart-speaker-soundbar
德州仪器声学回声消除器
https://www.ti.com/video/6308400085112
11.波束成形 MEMS 麦克风阵列的应用
高性能 MEMS 麦克风阵列为许多行业提供了先进的音频功能：
智能扬声器
远场语音识别和唤醒词检测.
视频会议系统
会议室内清晰的语音捕捉.
汽车语音界面
移动车辆中的抗噪语音命令.
AR/VR 设备
身临其境的空间音频捕捉.
工业语音控制
可在嘈杂环境中可靠运行。.
了解集成式智能音频硬件解决方案：
https://sistc.com/product-category/sensor-module/
12.结论
麦克风阵列波束成形已成为要求在复杂声学环境中可靠捕捉语音的现代音频系统的关键。.
高性能微机电系统麦克风，如 SISTC WBC系列-在以下方面实现重大改进
- 方向性
- 信噪比
- 带宽
- 系统可扩展性
这些麦克风与先进的波束成形算法和现代音频处理技术相结合，可实现下一代智能语音设备。.
有关 SISTC 麦克风解决方案和音频传感器模块的更多信息，请访问网站： www.sistc.com
参考资料
[1] M. Suvanto、, MEMS 麦克风手册, Mosomic Oy, 2021.
[2] MathWorks，“波束成形概述”。”
https://www.mathworks.com/help/phased/ug/beamforming-concepts.html
[3] DSP Concepts，“Qualcomm QCS400 智能扬声器/音条参考设计”。”
https://w.dspconcepts.com/reference-designs/qualcomm-qcs400-smart-speaker-soundbar
[4] 德州仪器公司，“声学回声消除”。”
https://www.ti.com/video/6308400085112
