Tecniche di beamforming con microfoni MEMS

Pubblicato il 28 ottobre 2019

Grazie alle loro caratteristiche – dimensioni ridotte, bassi consumi e costo contenuto – i microfoni MEMS rappresentano la soluzione ideale per i progettisti in una vasta gamma di applicazioni, tra cui tablet, computer desktop, auricolari e terminali per teleconferenze. Essi possono anche essere utilizzati per lo sviluppo di apparecchiature specializzate come sistemi per il monitoraggio del rumore e apparecchi impiegati per compiti di sorveglianza e dalle forze dell’ordine,

La risposta di un singolo dispositivo MEMS è omnidirezionale, in grado quindi di acquisire in egual misura i suoni provenienti da qualsiasi direzione. Ciò può rappresentare il vantaggio in alcune applicazioni in cui, ad esempio, è richiesto un microfono fisso per catturare il suono proveniente da una sorgente in movimento.

 

Incrementare le prestazioni audio con il beamforming

In numerose applicazioni, invece, è richiesta l’acquisizione dei suoni da un soggetto specifico, come ad esempio una persona che parla nella direzione del microfono. In situazioni di questo tipo, escludendo il rumore ambientale o altri suoni indesiderati, sarebbe utile poter incrementare le prestazioni audio complessive. Ciò richiede una risposta direzionale che può essere ottenuta utilizzando due o più microfoni configurati in modo da ottenere un “beamforming array” (ovvero una schiera di microfoni che eseguono un’operazione di beamforming, ovvero un filtraggio spaziale che ha lo scopo di enfatizzare o attenuare i segnali in funzione della direzione di provenienza fornendo risposte acustiche direzionali). L’elaborazione dei segnali necessaria – amplificazione, inserimento di ritardi e filtraggio – viene applicata alle uscite dei microfoni per incrementare il segnale desiderato e attenuare il rumore indesiderato (fig. 1).

 

Fig. 1 – Combinando i segnali elaborati provenienti da più microfoni e possibile enfatizzare segnale desiderato e minimizzare il rumore di fondo indesiderato

 

Broadside array ed endfire array sono due semplici esempio di array di beamforming. In entrambi i casi, una corretta ottimizzazione dell’elaborazione del segnale applicata all’uscita di ogni microfono è un fattore critico per ottenere la risposta direzionale desiderata. Per conseguire tale obiettivo, la sensibilità e la risposta in frequenza dei microfoni presenti nell’array devono essere adattate in maniera precisa o caratterizzate individualmente. Fortunatamente i microfoni MEMS sono realizzati utilizzando i processi impiegati per la realizzazione dei dispositivi a semiconduttore che assicura una dispersione minima tra questi parametri.  I microfoni MEMS analogici e digitali di CUI Devices, caratterizzati da tolleranze anche di soli ±1 dB, rappresentano la scelta ideale per l’utilizzo in applicazioni di beamforming.

Broadside array

Un broadside array è spesso utilizzato in applicazioni quali apparecchi televisive o monitor per PC. La sorgente del suono desiderato, solitamente la voce dell’utilizzatore, sarà di norma posizionato di fronte allo schermo. Per generare il broadside array, l’involucro dovrà prevedere un’ubicazione idonea per posizionare i due (o più) microfoni in modo tale che l’asse dell’array risulti perpendicolare alla direzione dell’onda sonora (Fig. 2).

Fig. 2 – L’asse di un broadside array è perpendicolare alla direzione dell’onda sonora

 

L’elaborazione del segnale in un broadside array può risultare molto semplice e consistere in una semplice somma delle uscite dei microfoni. I suoni provenienti dalla fonte desiderata arriveranno contemporaneamente da ciascun microfono e verranno quindi sommati in maniera coerente per produrre un segnale elettrico più forte, mentre quelli provenienti da altre direzioni raggiungeranno i microfoni in tempi differenti, dando luogo a una somma inferiore.

Sebbene un beamformer broadside risulti efficace nell’attenuazione di suoni non desiderati provenienti da entrambi e i lati (destro e sinistro), la risposta ai suoni provenienti da dietro, da sopra e da sotto l’array è la stessa di quella dei suoni provenienti dalla direzione desiderata. In ogni caso, in applicazioni quali apparecchi televisivi montati a parete o monitor per PC, è molto improbabile che i suoni arrivino da queste direzioni, o perlomeno saranno molto ridotti.

Endifire array

Nel momento in cui un beamformer deve attenuare sorgenti audio provenienti da dietro o dai lati, una configurazione endfire array può rappresentare la soluzione più efficace. In questo caso, l’asse dei microfoni è disposto in linea con la direzione dell’onda sonora desiderata. L’onda arriva al secondo microfono (e a tutti quelli successivi) con un ritardo temporale molto breve. Sommando la risposta del primo microfono con l’uscita, compensata  dei ritardi, degli altri (fig. 3) si ottiene una somma coerente proveniente da una fonte lungo l’asse ubicata di fronte all’array, mentre i segnali provenienti da altre fonti danno luogo a una somma di minor valore.

Fig. 3 – Un beamformer endfire compensa i ritardi temporali e somma le uscite dei microfoni

Un comportamento di questo tipo  consente a un beamformer endfire di attenuare i segnali provenienti sia da dietro sia dai lati. Le tipiche applicazioni degli array end-fire includono microfoni portatili per apparecchi televisivi e radio che devono essere puntati verso la sorgente – ad esempio un presentatore o un oratore – per catturarne chiaramente la voce ed eliminare i rumori di fondo.

Localizzazione dei suoni mediante beamforming

Mediante la rilevazione del ritardo con il quale una forma d’onda raggiunge ciascun microfono, un sistema di beamforming può essere configurato in modo da determinare la direzione del suono relativamente all’array e contribuire a individuare la sua origine. Un risultato di questo tipo è spesso raggiunto configurando i microfoni su un perimetro di un cerchio o una spera fittizio (Fig. 4).

Fig. 4 – Un array di beamforming può essere usato per il riconoscimento e la localizzazione dei suoni

In questa configurazione il ritardo tra le risposte dei singolo microfoni permette il calcolo dell’angolo dell’onda sonora relativamente all’asse dell’array. Una tipica applicazione dei beamformer in grado di localizzare i suoni è l’identificazione dell’origine degli spari in applicazioni nel campo della difesa e della pubblica sicurezza. Appositi algoritmi DSP (Digital Signal Processing) permettono di identificare il suono degli spari rispetto agli altri rumori di fondo e calcolare la direzione del colpo.

Considerazioni conclusive

Sebbene la risposta di tipo omnidirezionale dei microfoni MEMS sia utile in molte situazioni, numerose applicazioni audio richiedono una risposta di tipo direzionale. Un tale risultato può essere ottenuto utilizzando array di beamforming in varie configurazioni, scelte in funzione dell’applicazione considerata e della risposta richiesta. Un semplice array di beamforming può essere formato utilizzando due microfoni, sebbene è possibile realizzare array di maggiori dimensioni, comprendenti da alcuni fino a parecchie centinaia di microfoni, utilizzati in applicazioni specialistiche come ricerca e sorveglianza a fini di sicurezza.

Per assicurare prestazioni di beamforming prevedibili è essenziale un adattamento molto stretto delle caratteristiche del microfono. Il processo di fabbricazione utilizzato per realizzare i microfoni MEMS assicura un adattamento molto preciso della sensibilità e della risposta in frequenza, permettendo quindi ai progettisti a conseguire le prestazioni richieste utilizzando le tradizionali tecniche di elaborazione dei segnali.

Per maggiori informazioni

Esaminate la vasta gamma di microfoni MEMS di CUI Devices

Scegliete un microfono ECM o MEMS per la vostra applicazione

Leggete il blog: Analog or digital? How to choose the right MEMS microphone interface

 

 

Ryan Smoot Technical Support Engineer (CUI Devices)



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