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MEMS 麥克風中 PDM 和 I²S 數字輸出接口的比較和選擇

發布時間：2024-09-15 責任編輯：lina

【導讀】本文將詳細討論脈衝密度調製 (PDM) 和集成電路內置音頻 (I²S) 兩liang種zhong數shu字zi接jie口kou，簡jian介jie它ta們men的de獨du特te特te性xing以yi及ji在zai係xi統tong設she計ji時shi的de優you缺que點dian。工gong程cheng師shi具ju體ti選xuan擇ze哪na一yi種zhong，將jiang取qu決jue於yu對dui兩liang種zhong技ji術shu的de研yan究jiu，並bing要yao了le解jie哪na種zhong協xie議yi對dui於yu特te定ding應ying用yong更geng適shi合he。

文章概述

本文將詳細討論脈衝密度調製 (PDM) 和集成電路內置音頻 (I²S) 兩liang種zhong數shu字zi接jie口kou，簡jian介jie它ta們men的de獨du特te特te性xing以yi及ji在zai係xi統tong設she計ji時shi的de優you缺que點dian。工gong程cheng師shi具ju體ti選xuan擇ze哪na一yi種zhong，將jiang取qu決jue於yu對dui兩liang種zhong技ji術shu的de研yan究jiu，並bing要yao了le解jie哪na種zhong協xie議yi對dui於yu特te定ding應ying用yong更geng適shi合he。具體要考慮的幾個關鍵因素包括：

音質
功耗
物料成本
設計的空間限製
硬件的運行環境

如果您在MEMS 麥克風的數字輸出接口選擇上有需求，相信本文會有所幫助。

麥克風用在嵌入式係統中已經有很多年了。自其誕生以來，由於家居、汽車和可穿戴設備中基於語音的應用範圍不斷擴大，MEMS 麥克風的市場使用率迅速增加。MEMS 麥克風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點，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 麥克風仍然是工程師們的一個選擇，以及像脈衝密度調製 (PDM) 和集成電路內置音頻 (I²S)這樣的數字輸出亦是如此。

脈衝密度調製 (PDM) 概述

PDM（Pulse Density Modulation，脈衝密度調製）是一種將模擬信號電壓轉換為數字流的技術，這種數字流是通過單比特脈衝密度調製得到的。與音頻中常見的橫波形式不同，PDM信號更像是縱波。不過，PDM信號提供了模擬信號的數字表示形式。

圖 1：PDM 協議（圖片來源：CUI Devices）

上麵圖 1 xianshilegaobitemidushiruhesuizhemonixinhaozhenfudezengjiaerzengjiade。yinci，dangdaibiaomonixinhaozhenfudejiaodiduanshi，shuzixinhaozaiqidizhishangbaochideshijiangengchang。zhechuangzaoleyigexinhao，jiyoushuzixinhaodexuduohaochu，yerengranyumonixinhaozhijiexiangguan。weileshixianzheyidian，PDM 信號需要更高的采樣率，超過 3 MHz，因為數字脈衝必須比所代表的模擬信號的振蕩發生得更頻繁。

與模擬信號相比，PDM 的(de)數(shu)字(zi)性(xing)質(zhi)使(shi)其(qi)對(dui)電(dian)噪(zao)聲(sheng)環(huan)境(jing)的(de)適(shi)應(ying)性(xing)大(da)大(da)增(zeng)強(qiang)。當(dang)發(fa)生(sheng)信(xin)號(hao)退(tui)化(hua)時(shi)，它(ta)還(hai)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)的(de)位(wei)容(rong)錯(cuo)。然(ran)而(er)，信(xin)號(hao)的(de)高(gao)頻(pin)性(xing)質(zhi)導(dao)致(zhi)了(le)距(ju)離(li)的(de)限(xian)製(zhi)，因(yin)為(wei)較(jiao)長(chang)傳(chuan)輸(shu)線(xian)路(lu)上(shang)的(de)電(dian)容(rong)增(zeng)加(jia)，可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)衰(shuai)減(jian)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)音(yin)頻(pin)質(zhi)量(liang)下(xia)降(jiang)。PDM 信號還需要由外部 DSP 或微控製器進行額外處理，並配備適當的編解碼器，通過運行低通濾波器將 PDM 信號減采樣或下采樣到較低的采樣率，從而使其可用於其他設備。其概念的簡單性意味著PDM 設(she)備(bei)隻(zhi)需(xu)要(yao)兩(liang)個(ge)信(xin)號(hao)，這(zhe)使(shi)得(de)它(ta)們(men)的(de)成(cheng)本(ben)普(pu)遍(bian)較(jiao)低(di)，功(gong)率(lv)使(shi)用(yong)較(jiao)少(shao)，占(zhan)用(yong)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)較(jiao)小(xiao)。這(zhe)些(xie)優(you)勢(shi)需(xu)要(yao)提(ti)供(gong)額(e)外(wai)電(dian)路(lu)來(lai)實(shi)現(xian)，以(yi)處(chu)理(li)來(lai)自(zi) PDM 設備的信號。

集成電路內置音頻 (I²S) 接口概述

I²S是另一個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 協議時，人們常常有一種假定的關係或混淆，但它們的名字純粹是巧合。

圖 2：集成電路內置音頻協議（圖片來源：CUI Devices）

與 PDM 不同，I²S 是一個完全的數字信號，意味著它不需要編碼或解碼。它是一種三線串行協議，具有時鍾、數據和“字選擇”線，其中“字選擇”表biao示shi正zheng在zai傳chuan輸shu的de數shu據ju所suo關guan聯lian的de右you或huo左zuo通tong道dao。雖sui然ran沒mei有you普pu遍bian要yao求qiu的de數shu據ju傳chuan輸shu速su度du，但dan有you一yi個ge最zui低di速su度du，它ta取qu決jue於yu傳chuan輸shu的de數shu據ju及ji其qi精jing度du。例li如ru，如ru果guo音yin頻pin采cai樣yang率lv是shi行xing業ye標biao準zhun的de 44.1kHz，精度為 8 位，那麼一個單聲道需要的時鍾速度至少為 352.8 kHz。對於立體聲應用來說，這將是 705.6 kHz 時的兩倍。精度的任何變化也會改變最小傳輸帶寬。

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 的一個主要優點是通過其內置波濾器來利用內部編解碼器。PDM 需要一個外部編解碼器來降低其采樣率，而 I²S 的音頻信號數據率在到達 DSP 時已經達到可接受的水平。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(fei)常(chang)適(shi)合(he)用(yong)於(yu)自(zi)足(zu)式(shi)應(ying)用(yong)，以(yi)及(ji)需(xu)要(yao)節(jie)能(neng)的(de)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)型(xing)操(cao)作(zuo)之(zhi)處(chu)。由(you)於(yu)不(bu)需(xu)要(yao)額(e)外(wai)的(de)外(wai)部(bu)元(yuan)件(jian)，在(zai)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)等(deng)緊(jin)湊(cou)型(xing)設(she)計(ji)中(zhong)，節(jie)約(yue)成(cheng)本(ben)和(he)節(jie)省(sheng)空(kong)間(jian)也(ye)可(ke)以(yi)成(cheng)為(wei)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)。

在審視整個係統設計時，重要的是要注意是否已經具備了 DSP 能力。如果是這樣，能夠利用設計的內置DSP 功能的 PDM 設備可能是一個更好的選擇，而不是最終會消耗更多功率和資源的三條信號線的 I²S。

PDM與 I²S 之比較

由於 PDM 具有更好的位容錯和抗噪性，因此為音質優先的應用提供了一個有吸引力的選擇。另一方麵，I²S也是一個可靠的選擇，因為它易於安裝，占用空間較小，且不需要外部組件處理什麼，所以在空間限製或 BOM 成本問題上是一個可靠的選擇。I²S 還可以在更遠的距離上提供更高的信號質量，當麥克風和處理電路在 PCB 上不那麼接近時，它是比 PDM 更好的選擇。話雖如此，I²Sbingbushizhuanmenweitongguodianlanhuoqitachuanshushebeijinxingchuanshuershejide，yincibunengjiangqituixiangjiduan，yinweixuduoshebeijiangmeiyouheshidezukangpipei。zuihou，jiangxujinyibutiaozhaduiyingyong、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

MEMS 麥(mai)克(ke)風(feng)在(zai)一(yi)係(xi)列(lie)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)中(zhong)使(shi)用(yong)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)，選(xuan)擇(ze)一(yi)個(ge)合(he)適(shi)的(de)接(jie)口(kou)，無(wu)論(lun)是(shi)模(mo)擬(ni)還(hai)是(shi)數(shu)字(zi)的(de)，對(dui)於(yu)在(zai)最(zui)終(zhong)應(ying)用(yong)中(zhong)實(shi)現(xian)最(zui)佳(jia)效(xiao)果(guo)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。CUI Devices 擁有廣泛的 MEMS 麥克風產品組合，可滿足不同音頻係統要求。除了模擬接口單元外，各種 PDM 和 I²S數字接口麥克風亦已成熟。

（作者： Jeff Smoot，來源：DigiKey電子技術台）

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