MEMS 麥克風(fēng)中數(shù)字 PDM 和 I2S 接口之比較

作者：Jeff Smoot

麥克風(fēng)用在嵌入式系統(tǒng)中已經(jīng)有很多年了。然而，自其誕生以來，由于家居、汽車和可穿戴設(shè)備中基于語音的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，MEMS麥克風(fēng)的市場(chǎng)使用率迅速增加。MEMS 麥克風(fēng)不僅具有顯著減少電路板空間、低功率要求和提高抗電噪聲能力的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有更高的設(shè)計(jì)靈活性，有多種輸出選擇。模擬輸出
MEMS 麥克風(fēng)仍然是工程師們的一個(gè)選擇，以及像脈沖密度調(diào)制 （PDM） 和集成電路內(nèi)置音頻 （I2S） 這樣的數(shù)字輸出亦是如此。

本文將詳細(xì)討論這兩種數(shù)字接口，簡(jiǎn)介它們的獨(dú)特特性以及在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)。工程師具體選擇哪一種，將取決于對(duì)兩種技術(shù)的研究，并要了解那種協(xié)議對(duì)于特定應(yīng)用更適合。具體要考慮的幾個(gè)關(guān)鍵因素包括：

音質(zhì)

功耗

物料成本

設(shè)計(jì)的空間限制

硬件的運(yùn)行環(huán)境

脈沖密度調(diào)制 （PDM） 概述

用于將模擬信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換為經(jīng)過單比特脈沖密度調(diào)制的數(shù)字流，PDM 信號(hào)更接近于縱波，而不是在音頻中看到的典型橫波。不過，它們是模擬信號(hào)的數(shù)字表示。

上面圖 1
顯示了高比特密度是如何隨著模擬信號(hào)振幅的增加而增加的。因此，當(dāng)代表模擬信號(hào)振幅的較低端時(shí)，數(shù)字信號(hào)在其低值上保持的時(shí)間更長。這創(chuàng)造了一個(gè)信號(hào)，既有數(shù)字信號(hào)的許多好處，也仍然與模擬信號(hào)直接相關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，PDM信號(hào)需要更高的采樣率，超過 3 MHz，因?yàn)閿?shù)字脈沖必須比所代表的模擬信號(hào)的振蕩發(fā)生得更頻繁。

與模擬信號(hào)相比，PDM的數(shù)字性質(zhì)使其對(duì)電噪聲環(huán)境的適應(yīng)性大大增強(qiáng)。當(dāng)發(fā)生信號(hào)退化時(shí)，它還具有更高的位容錯(cuò)。然而，信號(hào)的高頻性質(zhì)導(dǎo)致了距離的限制，因?yàn)檩^長傳輸線路上的電容增加，可能導(dǎo)致不必要的衰減，從而導(dǎo)致音頻質(zhì)量下降。PDM信號(hào)還需要由外部 DSP 或微控制器進(jìn)行額外處理，并配備適當(dāng)?shù)木幗獯a器，通過運(yùn)行低通濾波器將 PDM信號(hào)減采樣或下采樣到較低的采樣率，從而使其可用于其他設(shè)備。其概念的簡(jiǎn)單性意味著 PDM設(shè)備只需要兩個(gè)信號(hào)，這使得它們的成本普遍較低，功率使用較少，占用的電路板較小。這些優(yōu)勢(shì)需要提供額外電路來實(shí)現(xiàn)，以處理來自 PDM 設(shè)備的信號(hào)。

集成電路內(nèi)置音頻 （I2S） 接口概述

I2S 是另一個(gè)流行的數(shù)字接口選擇，最初出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 80 年代中期，直到最近才在麥克風(fēng)和其他小型設(shè)備中使用。I2S 和 PDM都是雙通道接口，但這是它們唯一相似之處。在比較 I2S 和 I2C 協(xié)議時(shí)，人們常常有一種假定的關(guān)系或混淆，但它們的名字純粹是巧合。

與 PDM 不同，I2S是一個(gè)完全的數(shù)字信號(hào)，意味著它不需要編碼或解碼。它是一種三線串行協(xié)議，具有時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和“字選擇”線，其中“字選擇”表示正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)所關(guān)聯(lián)的右或左通道。雖然沒有普遍要求的數(shù)據(jù)傳輸速度，但有一個(gè)最低速度，它取決于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及其精度。例如，如果音頻采樣率是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的44.1kHz，精度為 8 位，那么一個(gè)單聲道需要的時(shí)鐘速度至少為 352.8 kHz。對(duì)于立體聲應(yīng)用來說，這將是 705.6 kHz時(shí)的兩倍。精度的任何變化也會(huì)改變最小傳輸帶寬。

采樣頻率 * 數(shù)據(jù)精度 * 通道數(shù) = 帶寬

44，100 Hz * 8 比特 * 2 通道 = 705，600 Hz

I2S 的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是通過其內(nèi)置波濾器來利用內(nèi)部編解碼器。PDM 需要一個(gè)外部編解碼器來降低其采樣率，而 I2S 的音頻信號(hào)數(shù)據(jù)率在到達(dá) DSP時(shí)已經(jīng)達(dá)到可接受的水平。這消除了整體設(shè)計(jì)中處理所捕獲音頻數(shù)據(jù)所需的額外組件，使得 I2S非常適合用于自足式應(yīng)用，以及需要節(jié)能的電池供電型操作之處。由于不需要額外的外部元件，在可穿戴設(shè)備等緊湊型設(shè)計(jì)中，節(jié)約成本和節(jié)省空間也可以成為關(guān)鍵因素。

在審視整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，重要的是要注意是否已經(jīng)具備了 DSP 能力。如果是這樣，能夠利用設(shè)計(jì)的內(nèi)置 DSP 功能的 PDM設(shè)備可能是一個(gè)更好的選擇，而不是最終會(huì)消耗更多功率和資源的三條信號(hào)線的 I2S。

PDM 與 I2S 之比較

由于 PDM 具有更好的位容錯(cuò)和抗噪性，因此為音質(zhì)優(yōu)先的應(yīng)用提供了一個(gè)有吸引力的選擇。另一方面，I2S也是一個(gè)可靠的選擇，因?yàn)樗子诎惭b，占用空間較小，且不需要外部組件處理什么，所以在空間限制或 BOM 成本問題上是一個(gè)可靠的選擇。I2S還可以在更遠(yuǎn)的距離上提供更高的信號(hào)質(zhì)量，當(dāng)麥克風(fēng)和處理電路在 PCB 上不那么接近時(shí)，它是比 PDM 更好的選擇。話雖如此，I2S并不是專門為通過電纜或其他傳輸設(shè)備進(jìn)行傳輸而設(shè)計(jì)的，因此不能將其推向極端，因?yàn)樵S多設(shè)備將沒有合適的阻抗匹配。最后，將需進(jìn)一步調(diào)查對(duì)應(yīng)用、可用組件和預(yù)期數(shù)據(jù)速率的需求，以作出任何最終決定。

結(jié)語

MEMS 麥克風(fēng)在一系列電子設(shè)備中使用得越來越多，選擇一個(gè)合適的接口，無論是模擬還是數(shù)字的，對(duì)于在最終應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最佳效果至關(guān)重要。CUI Devices擁有廣泛的 MEMS 麥克風(fēng)產(chǎn)品組合，可滿足不同音頻系統(tǒng)要求。除了模擬接口單元外，各種 PDM 和 I2S 數(shù)字接口麥克風(fēng)亦已成熟。