Comprender la sensibilidad del micrófono MEMS digital y los bits obtenidos para un SPL de entrada dado

Estoy intentando entender/simular la comunicación entre 2 smartphones por medio de ultrasonidos. Como se trata de un estudio general, estoy considerando que los teléfonos inteligentes están equipados con los transductores "típicos" más comunes. Uno de ellos está emitiendo un sonido y el otro grabándolo. Me gustaría saber en qué condiciones se graba correctamente el sonido transmitido. Lo primero que hice fue tratar de entender cómo la directividad en esta frecuencia afectaba la transmisión. Puedes ver ese análisis aquí .

Ahora estoy tratando de comprender los parámetros técnicos en el micrófono y el microparlante digital MEMS (el tipo de transductores de sonido más utilizados en los teléfonos inteligentes). Asumiré que el teléfono inteligente transmisor está equipado con un altavoz de este tipo y que el receptor está equipado con un micrófono de este tipo.

En la especificación del altavoz puedo ver:

Potencia nominal de entrada: 0,5 W (2,0 Vrms)

SPL : 83±3dB/0.1m/0.1W a 0.8,1.0,1.2,1.5KHz promedio

condiciones de prueba

La respuesta de frecuencia del altavoz es:

respuesta de frecuencia spk

En la especificación del micrófono puedo ver:

Sensibilidad: 94 dB SPL a 1 kHz: -26 dBFS

La respuesta de frecuencia del micrófono es:

Respuesta de frecuencia del micrófono

Mis preguntas son:

  1. ¿Es la sensibilidad la diferencia entre la señal acústica máxima (SPL máximo) en la entrada del micrófono (lo que provoca una palabra digital de escala completa, 16 bits) y la referencia de 94 dB SPL? Entonces, si la sensibilidad del micrófono es –26 dBFS a 94 dBSPL, ¿el SPL máximo es 120 dBSPL? (–26 dBFS = 94 dBSPL – 120 dBSPL) ¿Está bien mezclar dBFS y dBSPL?

  2. Este es un teléfono inteligente PDM, por lo que su salida es de solo 1 bit. Pero si suponemos que después de una conversión adecuada obtenemos 16 bits cuando se está recibiendo la señal acústica máxima (120 dBSPL), a 94 dBSPL su salida será de unos 11 bits.

  3. Suponiendo que estamos trabajando a 1 kHz, si el altavoz genera 83±3 dBSPL a 10 cm y colocamos el micrófono a esa distancia, ¿cuántos bits útiles dará como salida?

  4. ¿Qué puedo hacer para averiguar el SPL generado por el altavoz cuando se le suministran 0,5 W (en lugar de 0,1 W, que es el único dato proporcionado)?

  5. ¿Qué puedo hacer para averiguar el SPL generado por el altavoz y la sensibilidad del micrófono a, digamos, 18 kHz?

  6. Si la SNR del micrófono es de 64,5 dB. ¿Con cuántos bits útiles por encima del ruido de fondo puede trabajar?

Respuestas (2)

  1. El micrófono mems produce una señal digital y cuando la presión RMS incidente es de 94 dB SPL, la señal digital tiene un nivel RMS de -26 dBFS. Si el fondo de escala positivo es (digamos) 2 15 o 32.768, entonces el nivel RMS digital está 26 dB por debajo de este en 1.642. Esto será a 1 kHz.
  2. 1642 es un número RMS, por lo que el valor pico a pico completo (para una onda sinusoidal) es 4644 LSbs. Esto no se puede representar mediante un número con signo de menos de 12 bits (13 bits, incluido el signo).
  3. 83 dB SPL es 11 dB inferior a 94 dB SPL, por lo tanto, el nivel de señal digital RMS será 11 dB inferior a 1642, es decir, 463. Debido a que está utilizando una onda sinusoidal, esto se traduce en una lectura de pico a pico en recuentos digitales de 2,828x. mayor o 1309 cuentas pp.
  4. 0,5 vatios es 5 veces más potencia que 0,1 vatios o un aumento de 3,16 dB y, en consecuencia, el SPL será 3,16 dB más alto y lo mismo sucede con la señal digital producida.
  5. No tengo idea de esto porque no conozco las respuestas de frecuencia del altavoz o del micrófono ni la acústica ambiental.
  6. Esto es difícil de predecir porque si el ruido equivalente es de 100 conteos RMS (gaussiano), entonces habrá un 99,9% de probabilidad de que esté dentro de un nivel digital de 660 conteos digitales pp (ver más abajo). Sólo usted puede decidir cuál es un nivel aceptable.

Ruido gaussiano y probabilidad: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

¡Muchas gracias por su respuesta! Tengo algunas dudas. En 1) No mencionas nada sobre la señal acústica máxima. Si a 94 dB SPL la señal digital tiene un nivel RMS de -26 dBFS a 120 SPL tiene un nivel RMS de 0 dBFS, eso significa que ya se ha alcanzado la escala completa y como es RMS entonces el máximo es clipping!!! La sensibilidad y el nivel de salida de los micrófonos digitales se dan como niveles máximos porque se refieren a la palabra digital de escala completa, que es un valor máximo. Consulte analog.com/en/analog-dialogue/articles/…
Edité mi pregunta para agregar las respuestas de frecuencia del micrófono y el altavoz, supongamos que estamos trabajando en una cámara anecoica. ¿Puedo simplemente sumar y restar el incremento en la sensibilidad y la disminución en el nivel de presión de sonido de los respectivos micrófonos y altavoces cuando funcionan alrededor de 18 kHz?
La única línea que especifica la sensibilidad es clara; en ausencia de cualquier declaración en contrario, se deben asumir valores RMS. Si son valores pico, la ganancia no cambia. No hagas una comida de esto por favor. Si se corta a 120 dB SPL y esto es un problema, busque uno mejor.
En cuanto a la respuesta de frecuencia, sí

El éxito de un enlace de comunicación depende de SNR. Los enlaces de banda estrecha pueden mejorar en gran medida la SNR. La modulación de encendido y apagado simple necesita una SNR de 10 dB para una tasa de error de bits del 0,1 % (depende del ancho de banda, pero es una buena regla empírica); así 2 o 3 bits serán suficientes para OOK.

Para 16_QAM, con 4 bits por símbolo, donde se necesita una amplitud establecida, necesita más precisión y más tiempo para establecerse en un punto reconocible en la constelación.

Con respecto a su pregunta, si el digitalizador del micrófono del receptor tiene un piso fijo, entonces bajar la potencia 6dB (2*2, a 3dB por relación de potencia de 2) produce 6dB peor SNR (menor SNR).

Según su pregunta, si 16 bits a 120dBSPL, entonces 26 dB menos a 94dB costarían más de 4 bits.

Sí----dbFullScale son dB/dB comparables a dBSPL.

Muchas gracias por su respuesta. Desde la primera parte, supongo que no entendiste muy bien mi pregunta. No estoy interesado en identificar un esquema de modulación digital. ¡Aunque es bueno saber que dbFS es dB/dB comparable a dBSPL! ¿Te importaría mejorar tu respuesta? ¿Podrías responderla en el orden enumerado?
Comprender la sensibilidad del micrófono MEMS digital y los bits obtenidos para un SPL de entrada dado
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 3v