|
作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應用工程和運動(dòng)控制部門(mén)副總裁 麥克風(fēng)用在嵌入式系統中已經(jīng)有很多年了。然而，自其誕生以來(lái)，由于家居、汽車(chē)和可穿戴設備中基于語(yǔ)音的應用范圍不斷擴大，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(zhù)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計靈活性，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，以及像脈沖密度調制 (PDM) 和集成電路內置音頻 (I2S) 這樣的數字輸出亦是如此。 本文將詳細討論這兩種數字接口，簡(jiǎn)介它們的獨特特性以及在系統設計時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)。工程師具體選擇哪一種，將取決于對兩種技術(shù)的研究，并要了解那種協(xié)議對于特定應用更適合。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 · 設計的空間限制 · 硬件的運行環(huán)境 脈沖密度調制 (PDM) 概述 用于將模擬信號電壓轉換為經(jīng)過(guò)單比特脈沖密度調制的數字流，PDM 信號更接近于縱波，而不是在音頻中看到的典型橫波。不過(guò)，它們是模擬信號的數字表示。 
圖 1：PDM 協(xié)議（圖片來(lái)源：CUI Devices） 上面圖 1 顯示了高比特密度是如何隨著(zhù)模擬信號振幅的增加而增加的。因此，當代表模擬信號振幅的較低端時(shí)，數字信號在其低值上保持的時(shí)間更長(cháng)。這創(chuàng )造了一個(gè)信號，既有數字信號的許多好處，也仍然與模擬信號直接相關(guān)。為了實(shí)現這一點(diǎn)，PDM 信號需要更高的采樣率，超過(guò) 3 MHz，因為數字脈沖必須比所代表的模擬信號的振蕩發(fā)生得更頻繁。 與模擬信號相比，PDM 的數字性質(zhì)使其對電噪聲環(huán)境的適應性大大增強。當發(fā)生信號退化時(shí)，它還具有更高的位容錯。然而，信號的高頻性質(zhì)導致了距離的限制，因為較長(cháng)傳輸線(xiàn)路上的電容增加，可能導致不必要的衰減，從而導致音頻質(zhì)量下降。PDM 信號還需要由外部 DSP 或微控制器進(jìn)行額外處理，并配備適當的編解碼器，通過(guò)運行低通濾波器將 PDM 信號減采樣或下采樣到較低的采樣率，從而使其可用于其他設備。其概念的簡(jiǎn)單性意味著(zhù) PDM 設備只需要兩個(gè)信號，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)勢需要提供額外電路來(lái)實(shí)現，以處理來(lái)自 PDM 設備的信號。 集成電路內置音頻 (I2S) 接口概述 I2S 是另一個(gè)流行的數字接口選擇，最初出現在 20 世紀 80 年代中期，直到最近才在麥克風(fēng)和其他小型設備中使用。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。
圖 2：集成電路內置音頻協(xié)議（圖片來(lái)源：CUI Devices） 與 PDM 不同，I2S 是一個(gè)完全的數字信號，意味著(zhù)它不需要編碼或解碼。它是一種三線(xiàn)串行協(xié)議，具有時(shí)鐘、數據和“字選擇”線(xiàn)，其中“字選擇”表示正在傳輸的數據所關(guān)聯(lián)的右或左通道。雖然沒(méi)有普遍要求的數據傳輸速度，但有一個(gè)最低速度，它取決于傳輸的數據及其精度。例如，如果音頻采樣率是行業(yè)標準的 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。對于立體聲應用來(lái)說(shuō)，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 * 數據精度 * 通道數 = 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(guò)其內置波濾器來(lái)利用內部編解碼器。PDM 需要一個(gè)外部編解碼器來(lái)降低其采樣率，而 I2S 的音頻信號數據率在到達 DSP 時(shí)已經(jīng)達到可接受的水平。這消除了整體設計中處理所捕獲音頻數據所需的額外組件，使得 I2S 非常適合用于自足式應用，以及需要節能的電池供電型操作之處。由于不需要額外的外部元件，在可穿戴設備等緊湊型設計中，節約成本和節省空間也可以成為關(guān)鍵因素。 在審視整個(gè)系統設計時(shí)，重要的是要注意是否已經(jīng)具備了 DSP 能力。如果是這樣，能夠利用設計的內置 DSP 功能的 PDM 設備可能是一個(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線(xiàn)的 I2S。 PDM 與 I2S 之比較 由于 PDM 具有更好的位容錯和抗噪性，因此為音質(zhì)優(yōu)先的應用提供了一個(gè)有吸引力的選擇。另一方面，I2S 也是一個(gè)可靠的選擇，因為它易于安裝，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(wèn)題上是一個(gè)可靠的選擇。I2S 還可以在更遠的距離上提供更高的信號質(zhì)量，當麥克風(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(huà)雖如此，I2S 并不是專(zhuān)門(mén)為通過(guò)電纜或其他傳輸設備進(jìn)行傳輸而設計的，因此不能將其推向極端，因為許多設備將沒(méi)有合適的阻抗匹配。最后，將需進(jìn)一步調查對應用、可用組件和預期數據速率的需求，以作出任何最終決定。 結語(yǔ) MEMS 麥克風(fēng)在一系列電子設備中使用得越來(lái)越多，選擇一個(gè)合適的接口，無(wú)論是模擬還是數字的，對于在最終應用中實(shí)現最佳效果至關(guān)重要。CUI Devices 擁有廣泛的 MEMS 麥克風(fēng)產(chǎn)品組合，可滿(mǎn)足不同音頻系統要求。除了模擬接口單元外，各種 PDM 和 I2S 數字接口麥克風(fēng)亦已成熟。 |
