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- ELETTRONICA OGGI 434 - MARZO 2014
COMPONENTS
MEMS
nelle applicazioni a corto e a
lungo raggio. L’ADMP401
ha un elevato SNR e una
risposta in frequen-
za a banda larga
piatta e perciò
garantisce un suo-
no naturale, piacevole e
comprensibile con bassi con-
sumi di corrente che prolungano la
vita delle batterie nelle applicazioni por-
tatili. Una tecnologia sviluppata approfonditamente da Analog
Devices è il “beamforming” ossia l’analisi e la modellazione dei
fasci luminosi con array di microfoni direzionali grazie ai qua-
li si può identificare con precisione e affidabilità la direzione
del rumore e cancellare con maggior accortezza il rumore nei
sistemi antifurto. Invero, tutti i microfoni MEMS hanno una ri-
sposta omnidirezionale perché rispondono allo stesso modo
sui suoni provenienti da qualsiasi direzione. Tuttavia, più mi-
crofoni in array possono essere configurati per offrire una
risposta acustica direzionale. I microfoni direzionali in array
possono essere calibrati per essere più sensibili in una o più
direzioni ben precise rispetto alle altre direzioni.
Caratterizzazione dei microfoni
Le migliori prestazioni dei microfoni con beamforming richie-
dono una stretta correlazione fra la sensitività e la risposta in
frequenza dei diversi elementi dell’array. Le disparità di que-
sti due parametri fra gli elementi dell’array causano un netto
peggioramento della risposta ottenibile perché i livelli nulli
non risultano nitidi e la direzionalità dell’array non corretta-
mente orientata. Affinché il beamforming sia efficace, dun-
que, è necessario che la sensitività e la risposta in frequenza
dei microfoni MEMS siano perfettamente calibrate.
Gli effetti sul SNR dipendono dalla configurazione dell’array e
cambiando topologia si possono ottenere SNR molto diversi
a livello di sistema, sia più alti che più bassi. È perciò impor-
tante scegliere microfoni con ottime caratteristiche di SNR
per ottenere le massime prestazioni. In pratica, l’uscita del
beamformer migliora il SNR similmente alla semplice somma
di due segnali identici. In un array di questo tipo il rumore in-
terno dei microfoni viene sommato in termini di potenza ossia
in circa 3 dB di rumore in più a ogni raddoppio del numero
dei microfoni. Questo dimostra il vantaggio nelle prestazioni
introdotto dal beamforming perché quando il livello del se-
gnale viene raddoppiato con un incremento di 6 dB al tempo
stesso il rumore cresce di solo 3 dB e perciò anche il SNR
migliora di 3 dB.
La risposta in frequenza di un beamformer composto da due
microfoni è di 6 dB nelle frequenze con lunghezza d’onda
doppia della separazione fra i microfoni (tipicamente sui 4,1
kHz). Intorno a questa frequenza, la differenza fra il segnale di
uscita prodotto dall’array rispetto a quella dei due microfoni
presi singolarmente è più alta, ma va considerato che non è
semplice calcolare l’andamento del rapporto segnale/rumore
su tutto lo spettro di frequenza.
Posizionamento e altezza
La distanza fra i campi audio in un array di microfoni si può
decidere solo al momento della loro installazione. Sebbene
siano dispositivi molto piccoli, ci sono comunque delle di-
stanze minime da tenere in considerazione quando si proget-
ta l’array. Il centro acustico del diaframma di un microfono
MEMS Analog Devices, per esempio, si trova circa a 0,57 mm
sopra dell’apertura sul dispositivo. Questa distanza dev’es-
sere considerata quando si decide la distanza fra i microfoni
al pari dello spessore della PCB su cui si trovano. È necessa-
rio che tutti i microfoni siano montati esattamente allo stesso
modo sulla PCB con la medesima distanza fra le aperture au-
dio affinché non ci siano problemi.
Beamforming avanzato
Si possono realizzare array con vario numero di microfoni e
differenti configurazioni e, inoltre, si possono implementare
algoritmi di elaborazione dei segnali oltremodo sofisticati. Ci
sono algoritmi avanzati che consentono di migliorare la qua-
lità del controllo vocale e la direzionalità dei segnali audio
anche con un ridotto numero di microfoni.
Oltre agli array con spaziatura lineare fra i microfoni, ci sono
anche beamformer avanzati di ordine più elevato realizza-
ti spaziando i microfoni con passo variabile. Questo tipo di
configurazioni permette di eliminare gli errori in termini di
frequenza e rapporto segnale/rumore dovuti alla distanza fra
i microfoni e può effettivamente offrire un funzionamento pri-
vo di rumore con una miglior risposta in frequenza.
La consolidata tecnologia CMOS è particolarmente conve-
niente per realizzare microfoni MEMS che offrono numerosi
vantaggi ai progettisti. Questa tecnologia assicura una produ-
zione efficiente a basso costo e perciò consente di implemen-
tare sistemi di elaborazione segnali più efficienti.
I dispositivi MEMS sono più piccoli e possono essere imple-
mentati in aree molto difficili da raggiungere da dove pos-
sono fornire dati diagnostici utili per risparmiare tempo e
denaro. La cancellazione del rumore può essere utilizzata in
molte più applicazioni come, ad esempio, per rendere più af-
fidabile il riconoscimento dei comandi vocali. La possibilità di
installare più microfoni in array, inoltre, permette di sviluppa-
re tecnologie innovative di beamforming specifiche per certi
tipi di suoni o voci e migliorare le prestazioni delle interfacce
audio di sistema.
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Fig. 3 – Il microfono
MEMS ADMP401 di
Analog Devices
