Notes

General challenges in incorporating microphones

제품에 들어가는 엔지니어링 마이크는 일반적으로 마이크와 그 어플리케이션에 내재된 문제로 복잡하다.

대부분의 마이크에 내재된 한 가지 문제는, 낮은 신호 대 잡음 비율(SNR)이다.

우리는 보통 오디오 전자장치로 90dB 이상의 SNR을 예상하지만, 일반적인 마이크는 60dB의 범위에서 SNR을 가진다.

이 문제를 복잡하게 만드는 것은 마이크가 종종 큰 dynamic range를 커버해야 한다는 것이다. 마이크에 30dB SPL만큼 조용한 소리가 들어갈 수도 있고, 1초 후에 2cm 거리에서 110dB SPL로 소리치는 인간의 목소리 또는 가까운 거리에서 130dB만큼 크게 울리는 드럼을 다룰 수 있다. 이 높은 dynamic range는 가장 큰 peak를 수용하지만, 과도한 소음을 발생시키지 않는 gain level을 달성하는 것이 어려울 수도 있다. 대부분의 마이크로폰에 필요한 high-level preamp 회로도 과도한 소음을 발생시킬 수 있다.

음원과 관련된 마이크의 위치는 스피커폰이나 디지털 카메라와 같은 어플리케이션에서는 예측할 수 없으며, 소스는 1cm 또는 100m까지 떨어져 있을 수 있다. 환경은 때때로 예측할 수 없다; 그것은 40dB SPL의 조용한 방일 수도 있고 100dB SPL의 붐비는 클럽일 수도 있다. 종종, 같은 브랜드와 모델이 수많은 어플리케이션에 걸쳐 지정될 수도 있다. 따라서 이러한 모든 조건과 그 이상을 수용해야 한다.

마이크를 위한 어플리케이션의 대부분은 휴대용 장치에 있으며, 이것은 추가적인 문제를 야기한다. 포터블 제품은 소형인 경향이 있으며, 폼 팩터가 설계자의 마이크로 배치 옵션을 제한하기 때문에 성능이 저하되는 경우가 많다. 이 제품들은 대부분 배터리로 구동되며, 한 자릿수 전압 공급만 수중에 있고 종종 몇 시간만 작동한다.

Specific challenges in incorporating microphones

위에서 언급한 일반적인 과제 외에도, 많은 특정 마이크 설계와 애플리케이션은 오디오 엔지니어에게도 도전 과제를 제시한다. 여기에는 다음이 포함된다.

- DC offset: 많은 마이크, 특히 MEMS와 콘덴서 유형은, 출력 시 정상 상태 DC 전압을 발생시키며, 이는 다운스트림 구성 요소에 손상을 줄 수 있기 때문에 제거해야 한다.

- Non-flat frequency response: 많은 마이크로폰은 높은 주파수 및/또는 낮은 주파수에서 상당한 롤오프 또는 부스트를 나타내며, 인클로저에 장착된 마이크는 큰 비선형성을 발생시키는 경향이 있으며, 그 중 다수는 미드레인지에 있으므로 쉽게 들을 수 있다.

- Output mismatch with multiple mics: 제조 분산으로 인해 마이크는 샘플 간 출력 전압에 상당한 차이를 보일 수 있다. 단일 마이크를 사용할 경우, 이것은 완제품의 성능 차이를 야기할 수 있다. 출력 불일치는 또한 소음/풍력 취소 및 다중 마이크에 의존하는 방향성 음향 수신과 같은 기술의 유효성을 감소시킨다.

- Environmental noise: 마이크로폰은 소음 환경에서 작동해야 하는 경우가 많으며, 원하는 소음에 미치는 영향이 최소화된 환경 소음을 제거해야 하는 경우가 많다.

- Essing and popping: 근거리 음성 애플리케이션은 downstream circuit에서 왜곡을 일으킬 수 있는 sebilant and plosive sounds (문자 B, D, G, K, P, T)의 높은 공기 속도를 처리할 수 있는 능력을 필요로 한다.

- Wind Noise: 대부분의 모바일 애플리케이션에서, 공기는 종종 마이크 바람이나 움직임 때문에 마이크를 가로질러 흐른다. 이것은 원하는 소리를 가릴 수 있는 저주파수 럼은 물론 중, 고주파수 노이즈를 발생시킨다.

- Interference from nearby speakers: 마이크로폰은 종종 스피커 시스템과 근접하거나 스피커 시스템과 연계하여 작동해야 하는데,이들의 소리는마이크로폰으로 새어나와 방해나 피드백을 만들어 낼 수 있다.

Solutions to problems encountered with microphones

위에서 인용한 각각의 문제는 신호 처리를 통해 해결할 수 있다. 대부분의 경우, 각각은 고유의 특정한 해결책을 필요로 한다.

DC offset

DC 오프셋은 오디오 범위에 영향을 미치지 않을 정도로 낮은 주파수로 설정된 고역 통과 필터를 사용하여 차단할 수 있다. 일반적으로 필터는 2차 순서(12dB/octave) 또는 steeper가 되며, 일반적으로 -3dB point가 10Hz 전후가 된다. 필터는 용도에 맞게 조정되어야 한다. deep bass response 이 문제가 아닐 경우 더 higher frequencies and gentler slopes 를 사용할 수 있다. 일부 base response을 희생하면서 마이크 핸들링 소음과 저주파수 rumble을 reject하기 위해 필터는 오디오 대역의 주파수(일반적으로 80Hz)로 설정할 수도 있다.

Non-flat frequency response

마이크 또는 마이크 인클로저에 내재된 주파수 응답 비선형성은 필터를 사용하여 제거할 수 있다. 저역 통과 및/또는 고역 통과 필터는 상승 또는 하강 베이스 또는 트레블 응답을 교정할 수 있다. 밴드패스 및 밴드 제거 필터는 인클로저의 음반사 및/또는 공명 때문에 발생하는 반응 피크 및 딥을 교정할 수 있다.

필터는 또한 많은 다른 목적에도 도움이 된다. 예를 들어, 음성 수신 및 인지도를 높이기 위해 미드레인지 부스트 필터(일반적으로 약 2kHz 중심 밴드패스 필터)를 사용하는 경우가 많다. 필터는 또한 주관적인 음질을 최적화하도록 조정될 수 있다.

또한 특정 가수의 특성에 맞는 베이스 축소 또는 트레블 응답과 같은 선택 가능한 사운드 모드를 만들 수 있다. 재생산 체인을 알면 필터는 소형 스피커를 사용할 때 베이스 응답을 줄이는 등 재생 장치의 기능에 맞게 마이크 응답을 최적화하도록 조정할 수 있다.

Output Level Mismatch

제조상의 불일치로 인한 마이크 출력 수준의 불일치는 신호 처리를 통해 보정 또는 자동 게인 제어의 두 가지 방법으로 해결할 수 있다.

공장 교정은 마이크를 포함하는 완제품에 가장 적합하다. 테스트 톤을 재생하고, 각 마이크의 출력을 측정하고, 해당 마이크에 대한 적절한 이득을 계산한 다음, 해당 마이크가 설치된 제품의 펌웨어에 해당 게인 설정을 로드하는 것을 포함한다. 현장 교정은 종종 별도로 구매하는 여러 대의 마이크를 사용하는 음향 보강 및 홈 씨어터 애플리케이션에 적합하다. 마이크를 함께 놓고, 테스트 톤을 재생하고, 각 마이크의 출력이 처리되어 모두 일치한다.

자동 게인 제어는 각 마이크에서 나오는 신호 레벨을 모니터링하고 모든 마이크가 원하는 평균 또는 피크 레벨을 생성하도록 게인을 조정한다. 특히 멀티채널 사운드 레코딩과 같이 수신할 소리의 환경 및/또는 특성을 알 수 없는 애플리케이션에 적합하다.

다이나믹 레인지 관리 앞에서 설명한 것처럼 마이크와 그에 수반되는 전자제품이 전체 다이나믹 레인지를 포착하기 어려운 상황이 많다. 게인이 너무 높게 설정되면 예상치 못한 큰 소리가 왜곡을 일으킬 수 있다. 게인을 너무 낮게 설정하면 마이크에 연결된 아날로그-디지털 변환기(ADC)는 최대 비트 수를 사용할 수 없으므로 필요 이상으로 많은 노이즈를 발생시킨다.

동적 범위 관리를 위한 한 가지 해결책은 이전 섹션에서 설명한 자동 게인 제어다. 마이크로폰의 레벨은 모니터링되고 자동으로 조정되어 소음이 최소화될 수 있을 정도로 레벨이 높지만 0dBFS를 초과해서는 안 되며 따라서 클리핑이 발생하지 않는다.

관련 솔루션은 압축기/한계기로, 고정 신호 처리를 사용하여 음질과 녹음 품질을 최적화한다. 리미터에서 미리 결정된 임계값을 초과하는 신호는 레벨에서 감소되어 임계값을 초과하지 않거나, 임계값을 한 번 초과하면 상승 속도가 특정 비율로 감소하는데, 이는 보통 조절이 가능하다. 압축기는 약한 신호의 수준을 높이는 기능과 리미터와 결합한다. 이 조합은 ADC 과부하 위험성이 훨씬 적은 동적 범위를 가진 신호를 발생시킨다.

압축기/제한기를 사용하여 마이크가 집는 소리의 품질을 최적화할 수도 있으며, 예를 들어, 소음이 심한 환경에서 음성을 듣고 이해하는 데 도움이 되는 평균 신호 레벨을 생성할 수 있다. 마이크 신호 운하를 압축하면 자체 압축기/제한기 처리가 없는 소형 스피커와 같이 다운스트림 구성 요소에 대한 응력을 줄이고 출력을 최대화할 수 있다.

모든 압축기/제한기는 필터를 추가함으로써 주파수에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 큰 베이스 소음을 제어해야 하지만 미드레인지 및 트레블 소리가 제어되지 않는 경우, 저역 통과 필터를 압축기/제한기보다 먼저 사용할 수 있으며, 압축기/제한기 출력은 고역 통과 필터링 및 비압축 신호와 재결합된다.

Noise / Hiss

소음과 소음은 낮은 SNR과 환경 소음을 발생시키는 경향이 있기 때문에 마이크의 일반적인 문제들이다. 이 소음은 주의를 산만하게 할 수 있다. 듣는 사람에게 귀찮은 이 문제를 완화하거나 제거하기 위해 소음 게이트를 사용할 수 있다. 소음 게이트는 일반적으로 레벨이 일정 수준 이하로 떨어질 때 오디오 신호를 음소거한다. 신호에 중요하거나 청각적인 소리가 없는 경우. 소음 게이트의 문턱값(신호가 음소거되는 아래의 신호 수준)은 불필요한 소리를 차단하거나 음소거 또는 과도한 소음을 허용하지 않도록 조정해야 한다.

압축기/제한기와 마찬가지로 소음 게이트는 필터로 신호 체인에 선행함으로써 주파수에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 기계류에서 발생하는 저주파 웅성거림이 소음 게이트를 부적절한 시간에 열어두기에 충분할 경우 저주파 구성요소는 소음 게이트의 수준 감지 입력에서 걸러낼 수 있으므로 게이트의 작동은 고주파 음에만 영향을 받는다.

Environmental and wind noise

많은 다른 마이크 신호 처리 기술은 시끄러운 환경 또는 바람 소음에서 원하는 소리를 쉽게 들을 수 있도록 한다. 이러한 기법에는 단순한 필터링부터 노이즈 취소, 고급 멀티 마이크로폰 어레이에 이르기까지 모든 것이 포함된다.

필터링은 예상되는 소음 유형을 거부하도록 조정할 수 있다. 예를 들어, 실외 애플리케이션(즉, 작용 캠)을 위한 마이크는 바람과 도로 소음의 저주파 성분을 줄이기 위해 고역 통과를 필터링할 수 있다. 의 범위가

원하는 소리는 상당히 좁다. 예를 들어 대부분 100Hz에서 3kHz까지의 범위인 인간의 음성이나 1kHz를 중심으로 한 대부분의 소닉 에너지를 가진 총성과 같이, 밴드 패스 필터를 사용하여 그 범위를 강조할 수 있다.

여러 대의 마이크를 사용하면 소음을 더 효과적으로 취소할 수 있다. 두 개의 마이크(두 번째 마이크로 더 멀리 떨어져 있는 피사체 근처에 위치한 기본 마이크)가 스피커폰에 사용될 때, 두 개의 음량 모두 동일한 음량으로 나타난다.

마이크는 감쇠될 수 있고, 따라서 원하는 소리의 상대적 수준을 증가시킬 수 있다.

마이크와 관련된 피사체의 위치가 알려지면, 복수의 마이크를 배열하면 피사체를 환경으로부터 분리하는 데 도움이 되는 방향 픽업 패턴을 생성할 수 있다. 소리는 약간 다른 시간에 배열의 다양한 마이크에 도달한다. 올패스 필터를 사용하여 배열의 특정 마이크에서 위상을 이동시킴으로써 특정 방향에서 도달하는 소리는 증폭되고 다른 방향에서 오는 소리는 감쇠된다.

Essing and popping

보컬 어플리케이션에서 Essing과 poping 하는 것은 일반적으로 두 가지 방법을 사용하여 최소화된다. 즉, 플롯과 시빌리언트 사운드가 내는 큰 피크를 줄이는 압축기/제한기와 성가신 주파수에서 출력을 줄이는 필터 또는 필터를 사용한다. 약 100Hz의 고역 통과 필터는 음성 품질에 큰 영향을 미치지 않고 "팝스"의 베이스 성분을 플롯 사운드로 줄일 수 있다. 2에서 밴드 제거 필터

3kHz 범위를 사용해 형성을 줄일 수 있다. 이 두 필터 모두 음질을 크게 줄이지 않고 효과를 극대화하도록 조정해야 한다.

Interference from speakers

확성기 앞에서 마이크를 사용해야 하는 경우, 스피커에서 나오는 소리의 픽업은 확성기 공급 신호가 알려진 경우(예: P.A. 시스템 또는 Bluetooth 스피커) 상당히 감소할 수 있다. 스피커에 공급되는 신호는 위상 역전된 다음 마이크에서 나오는 신호와 적절한 수준에서 결합되어 음향 에코 취소 기능을 만든다. 그런 다음 스피커에서 나오는 소리는 감쇠되거나 취소되므로 원하는 소리를 마이크가 집어드는 데 방해가 되지 않는다.

Difficulties in implementing microphone processing

최적의 성능을 위해 마이크를 사용하는 대부분의 어플리케이션은 위의 기법의 조합을 필요로 한다. 오디오 엔지니어에게 이러한 조합은 구현하기 어려울 수 있다.

아날로그 회로를 사용하여 여러 개의 마이크로 신호 처리 단계를 만드는 것은 대개 비현실적이다. 왜냐하면 아날로그 프로세싱의 여러 단계가 과도한 소음을 발생시키는 경향이 있기 때문이다. 회로의 개발과 튜닝은 너무 많은 시간이 소요되며, 결과 제품은 너무 비쌀 수 있기 때문이다.

디지털 신호 처리(DSP)는 이러한 문제를 해결할 수 있지만, 위에서 설명한 많은 기능들은 DSP 칩을 위한 주식 프로그래밍 인터페이스에서 사용할 수 없는 정교한 알고리즘을 필요로 하며, 구현하기 위해서는 상당한 DSP 코딩 스킬이 필요하다. 또한 이러한 처리 기법을 실행하는 데 필요한 정교한 알고리즘은 강력한 DSP 칩을 필요로 하며, 가급적 32비트 처리 능력을 갖추고 있어야 한다.

이러한 알고리즘을 실행하는 DSP 칩은 대부분의 경우 배터리 또는 에너지 효율적인 전원 공급 장치에서 저전압으로 작동할 수 있어야 한다. 일부 애플리케이션은 보안 및 건강 모니터링 장비, TV와 Amazon Echo 스마트 Bluetooth 스피커와 같은 자동차 및 가전 제품에 사용되는 음성 명령 시스템 등 DSP를 항상 실행해야 한다. 이러한 애플리케이션에서 제품의 핵심 오디오 프로세싱 구성 요소는 항상 켜져 있어야만 제품을 최대 전원으로 끌어올 수 있는 사용자의 트리거 단어를 감지하고 명령을 실행할 수 있다. 에너지 효율에 대한 우려 때문에, 전력 소비량을 매우 낮은 수준으로 유지하는 것이 바람직하다. 종종 단지 몇 밀리와트에 지나지 않는다.

마이크를 사용하는 제품의 설계와 튜닝은 DSP 프로그래밍에 사용되는 것과 상당히 다른 기술을 필요로 한다. 소수의 DSP 엔지니어만이 오디오 제품을 설계하고 성능을 최적화할 수 있는 엔지니어링 지식과 경험을 보유하고 있다. 그러나 DSP 코딩 기술을 보유한 오디오 엔지니어는 거의 없다.

[1] https://dspconcepts.com/sites/default/files/digital_microphone_processing_paper.pdf