MEMS 麦克风中 PDM 和 I²S 数字输出接口的比较和选择

judy-- 周四, 09/05/2024 - 14:51

作者： Jeff Smoot，来源：DigiKey电子技术台

文章概述

本文将详细讨论脉冲密度调制 (PDM) 和集成电路内置音频 (I²S) 两种数字接口，简介它们的独特特性以及在系统设计时的优缺点。工程师具体选择哪一种，将取决于对两种技术的研究，并要了解哪种协议对于特定应用更适合。具体要考虑的几个关键因素包括：

  • 音质
  • 功耗
  • 物料成本
  • 设计的空间限制

  • 硬件的运行环境

如果您在MEMS 麦克风的数字输出接口选择上有需求，相信本文会有所帮助。

麦克风用在嵌入式系统中已经有很多年了。自其诞生以来，由于家居、汽车和可穿戴设备中基于语音的应用范围不断扩大，MEMS 麦克风的市场使用率迅速增加。MEMS 麦克风不仅具有显著减少电路板空间、低功率要求和提高抗电噪声能力的优点，而且还具有更高的设计灵活性，有多种输出选择。模拟输出 MEMS 麦克风仍然是工程师们的一个选择，以及像脉冲密度调制 (PDM) 和集成电路内置音频 (I²S)这样的数字输出亦是如此。

脉冲密度调制 (PDM) 概述

PDM（Pulse Density Modulation，脉冲密度调制）是一种将模拟信号电压转换为数字流的技术，这种数字流是通过单比特脉冲密度调制得到的。与音频中常见的横波形式不同，PDM信号更像是纵波。不过，PDM信号提供了模拟信号的数字表示形式。
图 1：PDM 协议.png

图 1：PDM 协议（图片来源：CUI Devices）

上面图 1 显示了高比特密度是如何随着模拟信号振幅的增加而增加的。因此，当代表模拟信号振幅的较低端时，数字信号在其低值上保持的时间更长。这创造了一个信号，既有数字信号的许多好处，也仍然与模拟信号直接相关。为了实现这一点，PDM 信号需要更高的采样率，超过 3 MHz，因为数字脉冲必须比所代表的模拟信号的振荡发生得更频繁。

与模拟信号相比，PDM 的数字性质使其对电噪声环境的适应性大大增强。当发生信号退化时，它还具有更高的位容错。然而，信号的高频性质导致了距离的限制，因为较长传输线路上的电容增加，可能导致不必要的衰减，从而导致音频质量下降。PDM 信号还需要由外部 DSP 或微控制器进行额外处理，并配备适当的编解码器，通过运行低通滤波器将 PDM 信号减采样或下采样到较低的采样率，从而使其可用于其他设备。其概念的简单性意味着PDM 设备只需要两个信号，这使得它们的成本普遍较低，功率使用较少，占用的电路板较小。这些优势需要提供额外电路来实现，以处理来自 PDM 设备的信号。

集成电路内置音频 (I²S) 接口概述

I²S是另一个流行的数字接口选择，最初出现在 20 世纪 80 年代中期，直到最近才在麦克风和其他小型设备中使用。I²S 和 PDM 都是双通道接口，但这是它们唯一相似之处。在比较 I²S和 I2C 协议时，人们常常有一种假定的关系或混淆，但它们的名字纯粹是巧合。
图 2：集成电路内置音频协议.png

图 2：集成电路内置音频协议（图片来源：CUI Devices）

与 PDM 不同，I²S 是一个完全的数字信号，意味着它不需要编码或解码。它是一种三线串行协议，具有时钟、数据和“字选择”线，其中“字选择”表示正在传输的数据所关联的右或左通道。虽然没有普遍要求的数据传输速度，但有一个最低速度，它取决于传输的数据及其精度。例如，如果音频采样率是行业标准的 44.1kHz，精度为 8 位，那么一个单声道需要的时钟速度至少为 352.8 kHz。对于立体声应用来说，这将是 705.6 kHz 时的两倍。精度的任何变化也会改变最小传输带宽。

采样频率 * 数据精度 * 通道数 = 带宽
44,100 Hz * 8 比特 * 2 通道 = 705,600 Hz
I²S 的一个主要优点是通过其内置波滤器来利用内部编解码器。PDM 需要一个外部编解码器来降低其采样率，而 I²S 的音频信号数据率在到达 DSP 时已经达到可接受的水平。这消除了整体设计中处理所捕获音频数据所需的额外组件，使得 I²S非常适合用于自足式应用，以及需要节能的电池供电型操作之处。由于不需要额外的外部元件，在可穿戴设备等紧凑型设计中，节约成本和节省空间也可以成为关键因素。
在审视整个系统设计时，重要的是要注意是否已经具备了 DSP 能力。如果是这样，能够利用设计的内置DSP 功能的 PDM 设备可能是一个更好的选择，而不是最终会消耗更多功率和资源的三条信号线的 I²S。
PDM与 I²S 之比较

由于 PDM 具有更好的位容错和抗噪性，因此为音质优先的应用提供了一个有吸引力的选择。另一方面，I²S也是一个可靠的选择，因为它易于安装，占用空间较小，且不需要外部组件处理什么，所以在空间限制或 BOM 成本问题上是一个可靠的选择。I²S 还可以在更远的距离上提供更高的信号质量，当麦克风和处理电路在 PCB 上不那么接近时，它是比 PDM 更好的选择。话虽如此，I²S并不是专门为通过电缆或其他传输设备进行传输而设计的，因此不能将其推向极端，因为许多设备将没有合适的阻抗匹配。最后，将需进一步调查对应用、可用组件和预期数据速率的需求，以作出任何最终决定。

结语

MEMS 麦克风在一系列电子设备中使用得越来越多，选择一个合适的接口，无论是模拟还是数字的，对于在最终应用中实现最佳效果至关重要。CUI Devices 拥有广泛的 MEMS 麦克风产品组合，可满足不同音频系统要求。除了模拟接口单元外，各种 PDM 和 I²S数字接口麦克风亦已成熟。

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