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什么是PDM，它在我的麥克風(fēng)中起什么作用？ PDM指脈沖密度調制，一種用來(lái)調節雙電平信號的格式之一，即在k概率下處于一種狀態(tài)，在1-k概率下則處于另一種狀態(tài)。如果狀態(tài)分別以1和0來(lái)表示，那么可視為某種“邏輯”信號，該信號值為k，可以是表示任意高精度的實(shí)數。 在脈沖密度調制中，信號活動(dòng)以同步到某時(shí)鐘（需要由解碼器提供）的脈沖形式存在。至少在理論上，這些脈沖的等寬與時(shí)鐘間隔相同，且信號值基本上要么為高電平要么為低電平。這些脈沖的瞬時(shí)密度即為所需信號的編碼，50%=無(wú)活動(dòng)，高于50%=正壓，低于50%=負壓。調制信號的頻率分量一般遠低于時(shí)鐘頻率，比如麥克風(fēng)的音頻。 其他可用任意高精度分數k來(lái)表達的在1和0之間交替的信號類(lèi)型有：PWM，即脈沖寬度調制（此時(shí)改變的是1和0部分的相對寬度）和PFM。PFM不是意大利前衛搖滾樂(lè )隊，而是一種通過(guò)修改連續等寬脈沖的頻率(F)來(lái)調整其平均值的方法。讀者可以練習計算F參數值。 現在不知讀者有沒(méi)有注意到我們已經(jīng)暗示了答案。對許多應用來(lái)說(shuō)，如果信號是由一串不斷改變密度、寬度或頻率的脈沖直接組成，那會(huì )相當麻煩。這樣的信號中存在過(guò)多的高頻寄生信號。不過(guò)如果用足夠長(cháng)的時(shí)間來(lái)求得這樣的脈沖序列的平均值，就可以減輕這種變化造成的影響。 在PDM輸出麥克風(fēng)內部，可以發(fā)現一個(gè)小型ADC IC（調制器），其用于將MEMS傳感器輸出的模擬信號轉換為PDM信號流。這種眾所周知的音頻轉換器技術(shù)所生成的信號，其低頻頻譜接近所需音頻信號，而高頻寄生部分的頻率在某個(gè)拐點(diǎn)頻率之上隨頻率上升快速升高，基本落在最終產(chǎn)品需要使用的音頻頻率范圍之外。 在所有商用PDM麥克風(fēng)中，噪聲頻率以每倍頻超過(guò)24dB的速率陡增。圖1顯示了用于PDM應用的ADC的典型輸出頻譜。該PDM信號流的噪聲密度在100kHz~300kHz頻率范圍內比在1kHz~3kHz頻率范圍內要大80dB（相當于增加了10000倍）。 圖1：PDM輸出麥克風(fēng)中轉換器的典型輸出噪聲頻譜 由于調制器的這種噪聲頻譜快速上升的特征，所以我們不能僅限于平均處理。平均只是實(shí)現正確濾波這一過(guò)程中最起碼的一步。要成功地充分消除這種高頻噪聲，使之不至于導致任何問(wèn)題，需要采取比平均更有確定性的措施。那就需要一種適當的濾波器！可以看到，在典型PDM接口使用的簡(jiǎn)單平均法和高效率濾波方法之間，有著(zhù)驚人的相似之處。 PDM接口的作用是什么？ 簡(jiǎn)言之，濾波器。雙電平信號（在音頻域也稱(chēng)1比特信號）能夠通過(guò)快速改變其在時(shí)域上的屬性，表達低頻信號的微小變化。如果要消除全部這些高速時(shí)域噪聲，就需要采取另一種用雙電平信號表達微小變化的方法，即以幅度表達。換言之，在代碼域中而不是在時(shí)域中。 那么接下來(lái)就把PDM雙電平音頻信號轉換為PCM（脈沖代碼調制）多電平音頻信號。過(guò)去曾認為使用16位提供的65536個(gè)電平即足以表達高質(zhì)量音頻信號。但現在實(shí)際上每個(gè)人都希望用24位表達，即在理論上把信號幅度范圍分為將近1,700萬(wàn)個(gè)電平。雖然很少有模擬系統能夠足夠低噪聲地真正實(shí)現這樣的分辨率。 PDM麥克風(fēng)的時(shí)鐘速率比一般期望的音頻采樣率要高得多。大多數PDM麥克風(fēng)的時(shí)鐘頻率（即脈沖頻率）為1MHz~3MHz。PDM前端采集的音頻帶寬一般為該頻率的百分之一，基本沒(méi)有噪聲，故要讓整個(gè)音頻帶寬處于低噪水平，需要的時(shí)鐘頻率應超過(guò)2MHz。 那么如果1個(gè)引腳要3MHz時(shí)鐘，那么24個(gè)引腳是不是要24MHz時(shí)鐘呢？答案是不需要。如果濾波功能足夠強大，能夠消除足夠多的寄生高頻噪聲，就可以在濾波器輸出端進(jìn)行降采樣操作，這樣24位輸出字只會(huì )出現在“有規律”的音頻采樣率上。典型的抽取因數為64倍，這樣在3.072MHz頻率下1位輸入信號就會(huì )轉換為頻率為48ksps的24位輸出信號。由于降采樣抽取因數（64）高于“位增長(cháng)因數”（24），實(shí)際每秒發(fā)生的數據位轉換次數有所下降，雖然并非刻意為之。 從實(shí)際工程設計的角度來(lái)看，典型PDM麥克風(fēng)應有電源引腳、接地引腳，當然還需要時(shí)鐘輸入引腳、數據輸出引腳和通道選擇引腳。根據通道選擇引腳的狀態(tài)，麥克風(fēng)的輸出在時(shí)鐘信號處于低電平或高電平狀態(tài)為活躍狀態(tài)，在另一狀態(tài)下處于高阻抗。這種聰穎的設計意味著(zhù)可以用一根話(huà)筒線(xiàn)多路復用兩個(gè)麥克風(fēng)，這樣立體聲PDM接口僅需兩根線(xiàn)纜，即時(shí)鐘輸出線(xiàn)纜和一根同時(shí)支持兩個(gè)聲道的數據返回線(xiàn)。任何使用這種類(lèi)型的數字麥克風(fēng)接口的解決方案都會(huì )自動(dòng)解復用出現在輸入數據線(xiàn)上的兩個(gè)信號。 目前的PDM接口解決方案 近年來(lái)，音頻轉換器芯片制造商在自己的旗艦“移動(dòng)編解碼器”上紛紛推出PDM（或數字）麥克風(fēng)輸入。這種全集成芯片，可提供包羅一切的從麥克風(fēng)到耳機的完整信號路徑。這對此類(lèi)廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，易如反掌。因為音頻ADC的工作原理是生成1位或數位高采樣率輸入信號，然后“抽取”輸出信號降低采樣率。所以采用PDM麥克風(fēng)可以理想地充分發(fā)揮設備上原有邏輯電路的效益。 所以如果系統已經(jīng)準備采用全功能正價(jià)音頻編解碼器，這或許是一種不錯的做法。是否美中不足呢？帶有數字麥克風(fēng)輸入功能的編解碼器的選擇范圍受限，所以如果不需要PDM，就有可能不能獲得某種良好功能或優(yōu)惠價(jià)格。此時(shí)得到的只是廠(chǎng)商已經(jīng)內置的濾波功能。對此功能難以用自己的濾波器系數重新編程，來(lái)微調頻率響應或音頻組延遲的各種特性。 如果系統設計稍微偏離常規，就會(huì )受到?jīng)]有現成可用器件的制約。如果一定要用，首先應拿到一份內容相當廣泛的濾波器基礎性能說(shuō)明文檔，其中包括數頁(yè)的頻率響應圖。至少能看到要用的是什么樣的器件。但可能發(fā)生的情況是，一旦選定，這種IC又會(huì )以比管理層預想的速度更快地從新設計推薦產(chǎn)品中消失。 如果想要把此項功能更多地交給系統中的主處理器來(lái)完成，可能會(huì )得到微處理器廠(chǎng)商提供的應用指南和代碼庫。中端32位微處理器足以勝任PDM的處理和濾波需求，雖然需要仔細查看是否還要把微處理器用于其他工作。 毫無(wú)疑問(wèn)，這種濾波功能對一般的嵌入式微控制器來(lái)說(shuō)是個(gè)難題。不僅如此，實(shí)時(shí)運算還要求緩沖區大小、中斷時(shí)延及其它處理器任務(wù)的調度得到良好控制。 這明顯需要經(jīng)驗豐富的編程人員才能完成。需要的代碼是專(zhuān)用的，庫文件是封閉的“黑匣子”式的，需要嚴格優(yōu)化的目標代碼、在編譯器中手動(dòng)編譯且無(wú)法修改。如果庫文件不支持選定的抽取比例和輸出頻率組合，就難以進(jìn)行調整。例如，如果發(fā)現很難支持相當標準的44.1ksps音頻速率，就必須采用48ksps。這種情況會(huì )造成某些手機制造商不滿(mǎn)。對此事我們不作評論。 此外，很難對處理路徑的性能進(jìn)行詳細的診斷檢查。微控制器廠(chǎng)商在交付高質(zhì)量音頻解決方案方面一貫聲名狼藉（請參閱關(guān)于USB音頻系統的《謹慎選擇USB音頻微控制器：測試臺上的驚險故事》）。 所以一般來(lái)說(shuō)不得不干脆相信信號的音頻內容會(huì )得到良好的處理。如果只是設計具有某種語(yǔ)音識別能力的小配件，這算不上什么問(wèn)題。但如果要設計的是用于高質(zhì)量應用的先進(jìn)超小型麥克風(fēng)，就會(huì )陷入信噪比泥潭而無(wú)法自拔。 |
