En jämförelse av de digitala gränssnitten PDM och I²S i MEMS-mikrofoner

Mikrofoner har använts i inbyggda system i många år. Sedan MEMS-mikrofoner började användas på marknaden har deras användning dock fortsätt att öka på grund av det ständigt växande utbudet av röstbaserade tillämpningar i hem, bilar och bärbara produkter. MEMS-mikrofoner erbjuder inte bara fördelarna med ett betydligt mindre format, låga strömkrav och förbättrad elektrisk störningsimmunitet, utan ger även större konstruktionsflexibilitet med ett antal utgångsalternativ. Analoga MEMS-mikrofoner är fortfarande ett alternativ för ingenjörer, liksom digitala utgångar som pulsdensitetsmodulering (PDM) och inter-IC-ljud (I²S).

Artikeln kommer att diskutera dessa två digitala gränssnitt i detalj och beskriva deras unika egenskaper samt deras för- och nackdelar när det gäller systemkonstruktion. Vilket protokoll en tekniker väljer kommer att bero på en undersökning av de två teknikerna och en förståelse för hur varje protokoll kan vara bättre lämpat för specifika tillämpningsförhållanden. Flera viktiga överväganden som kommer att beaktas är följande:

• Ljudkvalitet
• Strömförbrukning
• Kostnader för materiallistor
• Konstruktionens utrymmesbegränsningar
• Hårdvarans driftsmiljö

Översikt över pulsdensitetsmodulering (PDM)

PDM-signaler används för att omvandla en analog signalspänning till en pulsdensitetsmodulerad digital ström med en bit, och liknar mer en längsgående våg än den typiska tvärgående vågen i ljud. De utgör dock en digital representation av en analog signal.

Figur 1: PDM-protokollet (Bildkälla: Same Sky)

Figur 1 ovan visar hur tätheten av höga bitar ökar när den analoga signalens amplitud ökar. Detta medför att den digitala signalen förblir vid sitt låga värde under längre tidsperioder när den representerar den undre delen av den analoga signalens amplitud. Detta skapar en signal som har många fördelar med en digital signal samtidigt som den fortfarande är direkt korrelerad med den analoga signalen. För att uppnå detta kräver PDM-signaler högre samplingsfrekvenser, över 3 MHz, eftersom de digitala pulserna måste inträffa mycket oftare än den representerade analoga signalens svängningar.

Den digitala naturen hos PDM ger den betydligt större tålighet mot miljöer med elektriska störningar jämfört med analoga signaler. Den har även en ökad tolerans för bitfel vid signalförsämring. Signalens högfrekventa karaktär leder dock till begränsningar i fråga om avstånd på grund av den ökade kapacitansen i längre överföringsledningar, vilket kan leda till oönskad dämpning och därmed försämrad ljudkvalitet. PDM-signaler behöver även extra bearbetning av en extern DSP eller mikrokontroller med en lämplig codec för att decimera, eller downsampla, PDM-signalen till en lägre samplingsfrekvens genom att köra den genom ett lågpassfilter, för att därigenom göra den användbar för andra enheter. Enkelheten i deras koncept innebär att PDM-enheterna endast behöver två signaler, vilket gör dem generellt sett billigare med lägre strömförbrukning och ett kompakt format. Fördelarna kommer till priset av ytterligare kretsar för att bearbeta signalen från PDM-enheten.

Översikt över Inter-IC sound (I²S)

I²S är ett annat populärt digitalt gränssnittsalternativ som ursprungligen dök upp i mitten av 1980-talet och som först på senare tid har hittat sin väg in i mikrofoner och andra små enheter. I²S och PDM är båda tvåkanaliga gränssnitt, men där slutar likheterna. Det finns också ofta ett förmodat samband eller förvirring när man jämför protokollen I²S och I²C, men namnen är rena tillfälligheter.

Figur 2: Protokollet Inter-IC-sound (Bildkälla: Same Sky)

I²S är en helt digital signal, till skillnad från PDM, vilket innebär att den inte behöver kodas eller avkodas. Det är ett seriellt protokoll med tre trådar som innehåller klocka, data och en "word select"-linje, där "word select" indikerar en höger- eller vänsterkanal dit överförda data är associerade. Även om det inte finns något universellt krav på hastighet vid dataöverföringen finns det en lägsta hastighet som är beroende av den överförda informationen och dess precision. Om ljudets samplingsfrekvens exempelvis är industristandarden 44,1 kHz med 8 bitars precision behöver en monokanal en klockfrekvens på minst 352,8 kHz. Detta skulle bli det dubbla, dvs. 705,6 kHz vid en stereotillämpning. Varje ändring av precisionen ändrar även den lägsta bandbredden för överföring.

Samplingsfrekvens x Dataprecision x Kanalnummer = Bandbredd

44 100 Hz x 8 bitar x 2 kanaler = 705 600 Hz

En viktig fördel med I²S är att den använder en intern codec i sitt inbyggda filter. Medan PDM kräver en extern codec för att sänka samplingsfrekvensen, levereras ljudsignalens datahastighet med I²S på en redan acceptabel nivå när den når DSP:n. Detta eliminerar de extra komponenter som krävs för att bearbeta insamlad ljudinformation i den övergripande konstruktionen, vilket gör I²S väl lämpad för tillämpningar som är helt fristående och där energieffektiv batteridrift är ett bekymmer. Utan behov av ytterligare externa komponenter kan kostnads- och utrymmesbesparingar i kompakta konstruktioner, t.ex. bärbara produkter, också vara viktiga faktorer.

När man tittar på en övergripande systemkonstruktion är det viktigt att notera om DSP-funktioner redan finns på plats. Om så är fallet kan en PDM-enhet som kan utnyttja konstruktionens inbyggda DSP-funktioner vara ett bättre val än I²S som i slutändan kommer att förbruka mer ström och resurser med sina tre signallinjer.

PDM jämfört med I²S

PDM är ett tilltalande alternativ för tillämpningar där ljudkvalitet är en prioritet på grund av dess bättre tolerans mot bitfel och störningar. Å andra sidan är I²S ett bra val när det handlar om begränsade utrymmen eller kostnader för materiallistor, eftersom den är lätt att installera, har ett mindre format och inte behöver några externa komponenter för bearbetning. I²S kan även ge bättre signalkvalitet över längre avstånd, vilket gör det till ett bättre val än PDM när mikrofon- och bearbetningskretsar inte är nära varandra på kretskortet. Med detta sagt är I²S inte särskilt utformat för överföring via kablar eller andra överföringsenheter, så detta kan inte tas till en extrem nivå då många enheter inte har rätt impedansmatchning. I slutänden krävs ytterligare forskning om tillämpningens krav, tillgängliga komponenter och förväntade datahastigheter för att ta ett slutgiltigt beslut.

Sammanfattning

MEMS-mikrofoner fortsätter att få allt fler användningsområden i en rad elektroniska apparater och valet av lämpligt gränssnitt, oavsett om det är analogt eller digitalt, är avgörande för att uppnå bästa möjliga resultat i en sluttillämpning. Same Sky har ett omfattande sortiment av MEMS-mikrofoner som gör det möjligt att tillgodose en mängd olika krav på ljudsystem. Förutom analoga gränssnittsenheter finns olika PDM- och I²S-mikrofoner med digitalt gränssnitt tillgängliga.