MEMS 마이크를 통한 빔형성 소개

빔형성 어레이에서 여러 MEMS 마이크를 결합하면 비용 효율적이고 콤팩트한 저전력 장치의 고유한 이점을 방향성 응답이 필요한 응용 분야(예: 음성 상호 작용 시스템, 전문가용 AV 장비)에 적용할 수 있습니다.

마이크 및 방향성

MEMS 마이크는 작은 크기와 낮은 전력 소비로 강력하고 비용 효율적이며 거의 모든 응용 분야에 쉽게 통합될 수 있습니다. 모든 방향에서 들어오는 소리에 균등하게 민감한 전방향성 응답을 제공하기 때문에 특정 응용 분야(예: 확정되지 않은 방향이나 움직이는 소스로부터 들어오는 소리를 캡처하기 위해 고정 마이크가 필요한 경우)에 적합합니다. 반대로 전방향성으로 인해 주변의 원치 않는 소리가 주 음원과 경합하여 오디오가 선명하지 않거나 잘 들리지 않게 될 수도 있습니다.

여러 MEMS 마이크를 포함하는 빔형성 어레이는 특정 방향에서 들어오는 소리를 강화하고 다른 소리는 감쇠하여 이 문제를 해결할 수 있습니다. 이를 위해 마이크 신호를 결합하고 지연 삽입, 증폭, 필터링 등과 같은 신호 처리 기술을 통해 원치 않는 소리 신호를 최소화합니다. 원치 않는 오디오 소스의 신호가 함께 추가되지만 원치 않는 신호는 이질적으로 결합되므로 주 신호에 비례하여 감쇠됩니다. 그림 1은 이 방법을 보여줍니다. 신중하게 설계된 기본 2마이크 어레이의 경우 신호 처리가 매우 간단합니다.

그림 1: 빔형성 마이크 어레이는 배경 잡음에 비례하여 원하는 신호를 강화합니다. (이미지 출처: Same Sky)

기본 빔형성 어레이는 2개의 마이크를 포함하여 단일 축 계측을 구축할 수 있습니다. 적절한 신호 처리를 위해 가로 어레이를 생성하여 두 마이크 축에 수직으로 어레이의 측면에서 직접 들어오는 소리에서 발생하는 신호를 최대화할 수 있습니다. 또는 마이크 축을 따라 이동하는 소리의 방향성을 최적화하여 종형 어레이를 생성합니다.

각각의 경우 어레이 마이크의 감도와 주파수 응답이 거의 일치해야 합니다. 다행히 제조 중에 사용되는 웨이퍼급 제조 공정으로 인해 이는 MEMS 마이크의 주요 강점입니다.

가로 어레이

그림 2는 가로 어레이를 보여줍니다. 기본 소스 방향에서 들어오는 소리는 각 마이크에 동시에 도착하고 출력을 결합하여 더 큰 크기의 신호를 생성합니다. 다른 각도에서 들어오는 소리 신호는 구조적으로 더 작게 결합됩니다.

실제로 가로 어레이는 주 축의 양쪽에서 들어오는 소리에 균등하게 민감합니다. 따라서 뒤쪽, 위쪽 또는 아래쪽에서 원치 않는 소리가 거의 또는 전혀 들어오지 않을 것으로 예상되는 위치에서 주로 사용됩니다. 일반적으로 사용자가 화면 바로 앞에 있고 실내에서 뒤쪽이나 위쪽이 아닌 측면에서 주변 소리가 들어올 것으로 예상되는 TV 또는 PC 모니터에서 음성 상호 작용을 지원합니다. 자연스럽게 가로 방향으로 위치하고 편리하고 간섭이 발생하지 않도록 마이크 어레이를 화면의 인클로저에 내장할 수 있습니다.

그림 2: 가로 어레이는 마이크 축에 수직인 음원에 가장 민감합니다. (이미지 출처: Same Sky)

종형 어레이

마이크의 뒤쪽이나 측면에서 들어오는 오디오 소스가 감쇠될 경우 종형 어레이는 어레이의 바로 앞에서 들어오는 소리 신호를 강화하면서 다른 신호를 최소화할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 종형 어레이는 마이크 바로 앞에서 들어오는 소리를 격리할 수 있습니다. (이미지 출처: Same Sky)

다이어그램에 표시된 것처럼 원하는 소리는 첫 번째 마이크에 도착한 후 알려진 거리만큼 이동하여 두 번째 마이크에 도달합니다. 신호 처리를 통해 알려진 지연을 보정하고 두 신호를 결합하면 훨씬 더 큰 결과가 생성됩니다. 어레이의 뒤쪽이나 축에서 벗어나서 들어오는 소리 신호를 결합하면 훨씬 작은 효과가 생성됩니다.

종형 어레이는 일반적으로 말하는 사람의 음성을 선명하게 캡처하고 배경 잡음을 제거하기 위해 소스(예: 프리젠터 또는 스피커)를 지향하는 TV 또는 라디오의 핸드헬드 마이크 등에 사용됩니다.

원형 및 구형 어레이

원의 둘레(그림 4) 또는 구형 방향으로 네 개 이상의 마이크가 배치되는 빔형성 어레이는 더 복잡한 신호 처리 알고리즘에 따라 수신음의 발생 방향을 결정할 수 있도록 신호를 제공합니다. 이 유형의 어레이는 군대에서 총소리 출처 식별, 법집행 분야를 비롯한 정보 수집 등의 용도로 사용될 수 있습니다. 여기서는 디지털 신호 처리를 적용하여 총소리의 출처를 파악하고 방위를 계산하여 출처를 정확히 찾아낼 수 있습니다.

그림 4: 더 큰 어레이는 복잡한 기능(예: 소리 출처 찾기)을 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: Same Sky)

요약

MEMS 마이크는 전방향성 응답을 제공하며 특히 비용 효율성, 신뢰성, 작은 크기, 저전력 소비 등과 같은 설계 우선 순위를 가진 광범위한 응용 분야에 사용됩니다. 반도체 제조 공정을 사용하여 제작되므로 감도, 주파수 응답 등과 같은 파라미터를 세부적으로 일치시킬 수 있습니다. 이는 빔형성 어레이를 제작할 때 중요한 요구 사항입니다.

빔형성은 MEMS 마이크의 강점을 방향성 응답이 필요한 응용 분야에 적용합니다. 어레이는 두 개 이상의 마이크를 포함할 수 있으며 각각의 출력에 신호 처리를 적용하여 원하는 방향성 응답을 얻을 수 있습니다. 기본 구성에는 상대적으로 간단한 신호 처리를 지원하는 가로 어레이와 종형 어레이가 포함됩니다. 더 복잡한 어레이로는 방향 찾기 원형 또는 구형 어레이가 있으며 연구, 보안 감시 등과 같은 응용 분야에는 최대 수백 개의 마이크로 구성된 어레이를 사용할 수 있습니다.