Verständnis der Empfindlichkeit digitaler MEMS-Mikrofone und erhaltener Bits für einen bestimmten Eingangs-SPL

Ich versuche die Kommunikation zwischen 2 Smartphones mittels Ultraschall zu verstehen/simulieren. Da dies eine allgemeine Studie ist, gehe ich davon aus, dass die Smartphones mit der "typischen" am häufigsten verwendeten Art von Wandlern ausgestattet sind. Einer von ihnen sendet einen Ton und der andere nimmt ihn auf. Ich würde gerne wissen, unter welchen Bedingungen der übertragene Ton richtig aufgezeichnet wird. Als Erstes versuchte ich zu verstehen, wie sich die Richtwirkung bei dieser Frequenz auf die Übertragung auswirkte. Sie können diese Analyse hier sehen .

Jetzt versuche ich, die technischen Parameter des digitalen MEMS-Mikrofons und Mikrolautsprechers (die Art von Schallwandlern, die am häufigsten in Smartphones verwendet werden) zu verstehen. Ich gehe davon aus, dass das sendende Smartphone mit einem solchen Lautsprecher und der Empfänger mit einem solchen Mikrofon ausgestattet ist .

In der Lautsprecherspezifikation kann ich sehen:

Nenneingangsleistung: 0,5 W (2,0 Veff)

SPL: 83 ± 3 dB/0,1 m/0,1 W bei 0,8, 1,0, 1,2, 1,5 kHz Durchschnitt

Testbedingungen

Der Frequenzgang des Lautsprechers ist:

spk Frequenzgang

In der Mikrofonspezifikation kann ich sehen:

Empfindlichkeit: 94 dB SPL bei 1 kHz: -26 dBFS

Der Frequenzgang des Mikrofons ist:

Mikrofon-Frequenzgang

Meine Fragen sind:

  1. Ist die Empfindlichkeit die Differenz zwischen dem maximalen akustischen Signal (maximaler SPL) am Mikrofoneingang (was ein digitales Vollaussteuerungswort von 16 Bit verursacht?) und der 94-dB-SPL-Referenz? Wenn also die Mikrofonempfindlichkeit –26 dBFS bei 94 dBSPL beträgt, ist der maximale SPL 120 dBSPL? (–26 dBFS = 94 dBSPL – 120 dBSPL) Ist es in Ordnung, dBFS und dBSPL zu mischen?

  2. Dies ist ein PDM-Smartphone, daher beträgt die Ausgabe nur 1 Bit. Aber wenn wir davon ausgehen, dass wir nach richtiger Konvertierung 16 Bit erhalten, wenn das maximale akustische Signal (120 dBSPL) empfangen wird, beträgt seine Ausgabe bei 94 dBSPL ungefähr 11 Bit?

  3. Angenommen, wir arbeiten bei 1 kHz, wenn der Lautsprecher 83 ± 3 dBSPL bei 10 cm erzeugt und wir das Mikrofon in diesem Abstand platzieren, wie viele nützliche Bits gibt es aus?

  4. Was kann ich tun, um den vom Lautsprecher erzeugten SPL herauszufinden, wenn er mit 0,5 W versorgt wird (anstelle von 0,1 W, was die einzigen angegebenen Daten sind)?

  5. Was kann ich tun, um den vom Lautsprecher erzeugten SPL und die Mikrofonempfindlichkeit bei beispielsweise 18 kHz herauszufinden?

  6. Wenn das Mikrofon-SNR 64,5 dB beträgt. Mit wie vielen nützlichen Bits über dem Grundrauschen kann es arbeiten?

Antworten (2)

  1. Das Mems-Mikrofon erzeugt ein digitales Signal, und wenn der einfallende RMS-Druck 94 dB SPL beträgt, hat das digitale Signal einen RMS-Pegel von -26 dBFS. Wenn der positive Skalenendwert (sagen wir) 2 15 oder 32.768, dann liegt der digitale RMS-Pegel bei 1.642 um 26 dB darunter. Dies wird bei 1 kHz sein.
  2. 1.642 ist eine RMS-Zahl, sodass der volle Spitze-zu-Spitze-Wert (für eine Sinuswelle) 4644 LSbs beträgt. Dies kann nicht durch eine vorzeichenbehaftete Zahl kleiner als 12 Bit (13 Bit einschließlich Vorzeichen) dargestellt werden.
  3. 83 dB SPL ist 11 dB niedriger als 94 dB SPL, daher ist der RMS-Digitalsignalpegel 11 dB niedriger als 1.642, dh 463. Da Sie eine Sinuswelle verwenden, entspricht dies einem Spitze-zu-Spitze-Wert in digitalen Zählungen von 2,828x höher oder 1309 zählt pp.
  4. 0,5 Watt sind 5-mal mehr Leistung als 0,1 Watt oder eine Steigerung von 3,16 dB, und dementsprechend ist der SPL um 3,16 dB höher und ebenso das erzeugte digitale Signal.
  5. Ich habe keine Ahnung davon, weil ich weder die Frequenzgänge von Lautsprecher oder Mikrofon noch die Umgebungsakustik kenne.
  6. Dies ist schwierig vorherzusagen, denn wenn das äquivalente Rauschen 100 Zähler RMS (Gauß) beträgt, liegt es mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,9 % innerhalb eines digitalen Pegels von 660 digitalen Zählern pp (siehe unten). Was ein akzeptables Niveau ist, können nur Sie entscheiden.

Gaußsches Rauschen und Wahrscheinlichkeit: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich danke Ihnen sehr für Ihre Antwort! Ich habe Zweifel. In 1) erwähnen Sie nichts über das maximale akustische Signal. Wenn das digitale Signal bei 94 dB SPL einen RMS-Pegel von -26 dBFS hat, hat es bei 120 SPL einen RMS-Pegel von 0 dBFS, das bedeutet, dass die Vollaussteuerung bereits erreicht ist und da es RMS ist, ist das Maximum Clipping!!! Die Empfindlichkeit und der Ausgangspegel digitaler Mikrofone werden als Spitzenpegel angegeben, da sie sich auf das digitale Vollaussteuerungswort beziehen, das ein Spitzenwert ist. Siehe analog.com/en/analog-dialog/articles/…
Ich habe meine Frage bearbeitet, um die Frequenzgänge von Mikrofon und Lautsprecher hinzuzufügen, vorausgesetzt, wir arbeiten an einer schalltoten Kammer. Kann ich einfach die Erhöhung der Empfindlichkeit und die Verringerung des Schalldruckpegels des jeweiligen Mikrofons und Lautsprechers addieren und subtrahieren, wenn sie um 18 kHz herum arbeiten?
Die einzelne Zeile, die die Empfindlichkeit angibt, ist klar; mangels gegenteiliger Angabe sind RMS-Werte anzunehmen. Handelt es sich um Spitzenwerte, ändert sich die Verstärkung nicht. Machen Sie daraus bitte keine Mahlzeit. Wenn es bei 120 dB SPL übersteuert und dies ein Problem darstellt, suchen Sie nach einem besseren.
Was den Frequenzgang betrifft, ja

Der Erfolg einer Kommunikationsverbindung hängt vom SNR ab. Schmalbandverbindungen können das SNR erheblich verbessern. Eine einfache Ein-Aus-Modulation benötigt ein SNR von 10 dB für eine Bitfehlerrate von 0,1 % (abhängig von der Bandbreite, aber gute Faustregel); somit genügen 2 Bits oder 3 Bits für OOK.

Für 16_QAM mit 4 Bit pro Symbol, wo eine festgelegte Amplitude benötigt wird, benötigen Sie mehr Genauigkeit und mehr Zeit, um sich auf einen erkennbaren Punkt in der Konstellation einzustellen.

In Bezug auf Ihre Frage: Wenn der Digitizer des Empfängermikrofons einen festen Boden hat, führt das Verringern der Leistung um 6 dB (2 * 2, bei einem Verhältnis von 3 dB pro Leistung von 2) zu einem um 6 dB schlechteren SNR (niedrigeres SNR).

Aus Ihrer Frage, wenn 16 Bit bei 120 dBSPL, dann 26 dB niedriger bei 94 dB mehr als 4 Bit kosten würden.

Ja ---- dbFullScale sind dB/dB vergleichbar mit dBSPL.

Ich danke Ihnen sehr für Ihre Antwort. Vom ersten Teil an nehme ich an, dass Sie meine Frage nicht sehr gut verstanden haben. Ich bin nicht daran interessiert, ein digitales Modulationsschema zu identifizieren. Obwohl es schön zu wissen ist, dass dbFS in dB/dB vergleichbar mit dBSPL ist! Würde es Ihnen etwas ausmachen, Ihre Antwort zu verbessern? Könnten Sie sie in der aufgezählten Reihenfolge beantworten?
Verständnis der Empfindlichkeit digitaler MEMS-Mikrofone und erhaltener Bits für einen bestimmten Eingangs-SPL
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