從語音信号處理角度解讀mic規格書
1 背景介紹
對于語音信号處理來說，輸入音頻資料的品質很重要。而mic作為聲音的采集裝置，會直接影響采集到聲音的品質。雖然mic選型是硬體或者聲學方面的工作重點，但是對于從事語音信号處理相關人員來說，了解mic規格書中的一些技術名額也是大有裨益的。本文結合國家标準對mic規格書中的一些名額進行說明。
2 參數解讀
根據mic的制作工藝可以分為駐極體mic，MEMS mic等；根據mic的輸出信号可以分為模拟mic和數字mic。總之，從多種角度看，mic存在差異，導緻mic的規格書中的參數和名額也不盡相同。本文會結合圖2.1^[1]^所示規格書截圖進行說明。
如圖2.1所示，規格書中給出了測試條件及名額，其中和語音信号處理相關的名額包括：靈敏度(Sensitivity)，信噪比(S/N Ratio)，頻響曲線(Frequency)，最大聲壓級和總諧波失真(Max Input Sound Pressure Level)。
2.1 靈敏度
靈敏度是模拟輸出電壓（模拟mic）或數字輸出值（數字mic）與輸入聲壓之比，對任何麥克風來說都是一項關鍵名額。mic靈敏度一般在94 dB的聲壓級（1Pa有效聲壓對應的聲壓級）下，用1 kHz正弦波進行測量。mic在該輸入激勵下的模拟或數字輸出信号幅度即是mic靈敏度^[2]^。
圖2.1中的标準靈敏度為 -41dBV，對應的是模拟mic，模拟mic靈敏度的計算公式為
式(1)中Ref為1000 mV/Pa (1 V/Pa)。根據式(1)可知，-41dBV對應的靈敏度約為8.9mv/Pa，即經過該mic後，1Pa的聲壓會産生8.9mv的電壓。有了該資訊和前置放大器的增益，則可将mic經過前置放大的輸出電平比對至後續電路系統，進而作為ADC的輸入。假設前置放大的增益是4倍，ADC後輸出的數字信号滿量程（0 dBFs）對應的電壓是1V，那麼該mic的靈敏度對應的數字信号的幅值約為 -29dBFs，計算公式為
因為語音信号處理希望數字信号的有效bit位盡可能多，即dBFs的值盡可能大。有了靈敏度的資訊，可以選擇合适前置放大增益，和ADC的轉換比例來實作該目的。至于mic輸入聲壓的範圍下一小節會讨論。
這裡順便提及一下數字mic的靈敏度。數字mic的靈敏度隻取決于一個設計參數，即最大聲學輸入。隻要将滿量程數字映射到mic的最大聲學輸入，則靈敏度一定是該最大聲學信号與94 dB SPL參考信号之差。是以，如果數字mic的最大聲學輸入為120 dB，則該mic的靈敏度為 -26 dBFs(94 dB - 120 dB)。
2.2 信噪比和最大聲壓級
最大聲壓級就是mic能承受的最大輸入聲壓對應的聲壓級，圖2.1中為104dB SPL。這個就是mic正常工作時，輸入的聲壓上限。而mic的輸入聲壓下限可由信噪比這個參數得到。
信噪比指的是mic的靈敏度和固有噪聲的比值，計算公式為
其中Vn為mic固有噪聲引起的輸出電壓(V)，Sensitivity為mic靈敏度(V/Pa)。國标^[2]^中描述固有噪聲的名額為“固有噪聲引起的等效聲壓級”，即無外聲場時，僅由mic固有噪聲引起的輸出電壓，可以看作能産生相同有效值輸出電壓所對應的外部聲壓級。等效噪聲級的計算公式為
其中SPLn為等效噪聲級，Pref為參考聲壓2*10^-5 Pa。根據公式(3)和(4)可以推導出固有噪聲引起的等效聲壓級與信噪比的關系為
圖2.1中的信噪比為55dB，則固有噪聲引起的等效聲壓級為39dB SPL。那麼該mic的輸入聲壓下限就是39dB SPL。綜上可知該mic正常工作時，輸入聲壓範圍為39dB ~ 104dB SPL。
2.3 頻響曲線和總諧波失真
頻響曲線和總諧波失真都是描述mic輸出電壓幅度和輸入聲音頻率之間關系的名額。
頻響曲線描述的是mic的頻率響應與給定用途的“理想”響應偏差不超過規定值所覆寫的頻率範圍^[2]^。圖2.1給出的頻率範圍為50 ~ 16K Hz。規格書中的一種頻率響應的曲線如圖2.2^[1]^所示。從語音信号處理角度來看，希望頻響曲線越平坦越好，平坦的頻率範圍越寬越好。
總諧波失真(THD)是描述mic幅度非線性的一個名額。“聲系統和聲系統裝置中，幅度非線性會在輸出端産生輸入信号中不存在的信号。幅度非線性是頻率，幅度和溫度等因素的函數，甚至在信号幅度恒定時也是如此，是以它不是常量，有多種評價幅度非線性的方法^[3]^”。總諧波失真就是其中的一種方法。總諧波失真計算如圖2.3^[3]^所示。
從語音信号處理的角度，希望總諧波失真越小越好。
3 小結
本文從語音信号處理的角度，結合國家标準對mic規格書中的一些名額進行說明，希望能夠為從事語音信号處理相關人員提供一個角度，來了解mic的硬體名額。因為個人能力有限，不能就規格書中的所有參數進行說明。對其他參數名額感興趣的讀者，可以使用“規格書 + 國标”的方法來進行解讀。
4 參考文獻
[1]
MIC标準規格書[2] 中華人民共和國國家标準GB/T 12060.4-2012
[3] 中華人民共和國國家标準GB/T 12060.2-2011
原文作者：K'
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