MEMS 麥克風波束成形簡介

MEMS 麥克風是符合成本效益的小型低功率元件，在波束成形陣列中整合多個 MEMS 麥克風，即可將這些麥克風的固有優勢引入許多需要指向性響應的應用，如語音互動系統及專業影音設備。

麥克風與指向性

MEMS 麥克風兼具耐用性和成本效益，而且體型小、功耗低，因此能輕鬆整合到幾乎任何應用。這些麥克風具有全向性響應，對來自四面八方的聲音皆有同等靈敏度，因此很適合特定應用，例如需要使用固定式麥克風，擷取來自不確定方向或移動源的聲音。但另一方面，全向性會讓環境聲或雜音與主聲源競爭，導致音訊不清晰或不容易聽見。

在波束成形陣列中納入多個 MEMS 麥克風就能克服此問題，因為此陣列能增強來自特定方向的聲音並衰減其他聲音。此作法是利用延遲插入、放大和濾波等訊號處理技術來計算麥克風訊號的總和，以儘量減少雜音訊號。想收錄的音源訊號會相加，不需要的訊號則會以不連貫的方式加總，進而與主訊號相對衰減。圖 1 說明此作法的過程。若使用精心設計的基本雙麥克風陣列，訊號處理作業其實相當簡單。

圖 1：波束成形麥克風陣列相對於背景噪音，可增強要收錄的音源訊號。(圖片來源：Same Sky)

基本的波束成形陣列最少包含兩個麥克風，因此可打造成單軸儀器。搭配適合的訊號處理，即可打造垂射陣列，讓直接來自於陣列側邊、與這兩個麥克風軸垂直的聲音訊號達到最大化。或者，也可以建立端射陣列，讓沿著麥克風軸傳遞的聲音達到最佳的指向性。

無論是哪一種作法，陣列中的麥克風都必須有緊密匹配的靈敏度和頻率響應。幸好 MEMS 麥克風在製造期間採用晶圓級製程，因此具有此重要優勢。

垂射陣列

圖 2 說明垂射陣列的作法。從優先聲源方向傳來的聲音會同時抵達每個麥克風，而輸出會經過加總，產生較強的訊號。來自其他角度的聲音訊號也會加總，但結構性較低。

實際上，垂射陣列對來自主軸兩側的聲音同樣敏感。因此，此陣列通常用於後方、上方或下方鮮少或沒有雜音的場合。有個典型應用是支援電視或個人電腦監視器的語音互動。在這類應用中，使用者往往直接面對螢幕，而且室內的環境音很可能來自兩側，而不是來自後方或上方。麥克風陣列可內建在螢幕外殼中，不僅能提供自然的垂射方向，而且方便且不突兀。

圖 2：垂射陣列對垂直於麥克風軸的聲源最靈敏。(圖片來源：Same Sky)

端射陣列

若要對麥克風後方或旁邊的音源進行衰減，端射陣列能將其降到最低並增強陣列正前方的聲音訊號 (圖 3)。

圖 3：端射陣列能將來自麥克風正前方的聲音獨立出來。(圖片來源：Same Sky)

如圖所示，要收錄的聲音先抵達第一個麥克風，然後傳遞已知距離後抵達第二個麥克風。訊號處理作業會對產生的已知延遲進行補償，並將兩個訊號相加，產生出較大的訊號結果。而來自陣列後方或軸外的聲音訊號也會加總，但僅會產生較小的影響。

端射陣列的典型應用包括電視台或電台使用的手持式麥克風，其用途是指向主持人或講者等聲源，以清晰擷取講者的聲音，同時消除背景雜音。

圓形與球形陣列

若波束成形陣列在圓形邊界 (圖 4) 或球形方向上包含多個麥克風 (例如四個以上)，則其訊號可使用更為複雜的訊號處理演算法進行處理，以判斷接收到的聲音源自何方。這種陣列可用於情報收集等用途，比如在軍事或執法應用中判別槍炮聲的來源處。在此應用中會使用數位訊號處理來識別槍炮聲並計算方位，有助於準確定位來源。

圖 4：大型陣列可支援音源定位等複雜功能。(圖片來源：Same Sky)

總結

MEMS 麥克風具有全向性響應，適合多種應用，特別是設計條件相當注重成本效益、可靠性、小尺寸及低功耗的應用。MEMS 麥克風採用半導體製程，因此靈敏度和頻率響應等參數能緊密匹配，而這是建構波束成形陣列的重要條件。

波束成形可將 MEMS 麥克風的優勢引入許多需要指向性響應的應用中。一個陣列可包含兩個或更多個麥克風，每個麥克風的輸出都會經過訊號處理，以達到所需的指向性響應。基本的組態包括垂射陣列和端射陣列，其訊號處理相對簡單。更複雜的陣列則包括測向式圓形或球形陣列，或者由小至幾個、多至數百個麥克風組成，用於研究或安全監視等應用的陣列。