O comparație a interfețelor digitale PDM și I²S în microfoanele MEMS

Microfoanele se folosesc în sistemele încorporate de mulți ani. Cu toate acestea, de la începuturile lor, microfoanele MEMS au înregistrat o creștere rapidă a utilizării lor pe piață, datorită gamei tot mai largi de aplicații bazate pe voce din domeniul casnic, auto și al dispozitivelor purtabile. Microfoanele MEMS nu numai că oferă avantajele unei amprente semnificativ reduse, ale unor cerințe reduse de putere și ale unei imunități îmbunătățite la zgomotul electric, ci și o mai mare flexibilitate de proiectare cu numeroase opțiuni de ieșire. Microfoanele MEMS cu ieșire analogică încă sunt o opțiune pentru ingineri, precum și ieșirile digitale, cum ar fi modularea densității de impulsuri (PDM) și sunetul inter-IC (I²S).

Articolul de față va prezenta aceste două interfețe digitale mai în detaliu, subliniind caracteristicile lor unice, precum și avantajele și dezavantajele lor în ceea ce privește proiectarea sistemelor. Alegerea pe care o va face un inginer se va reduce la o examinare a celor două tehnologii și la înțelegerea modului în care fiecare protocol ar putea fi mai potrivit pentru condițiile specifice ale aplicației. Mai multe considerente cheie care vor fi luate în considerare includ:

• Calitatea audio
• Consumul de energie
• Costurile listelor de materiale (BOM)
• Constrângeri de spațiu pentru proiectare
• Mediul operațional al hardware-ului

Prezentarea generală a modulării densității de impulsuri (PDM)

Folosite pentru a converti un semnal analogic de tensiune într-un flux digital modulat în densitate de impulsuri pe un singur bit, semnalele PDM seamănă mai mult cu o undă longitudinală decât cu unda transversală tipică întâlnită în sunet. Cu toate acestea, ele sunt o reprezentare digitală a unui semnal analogic.

Figura 1: protocolul PDM (Sursa imaginii: Same Sky)

Figura 1 de mai sus arată cum crește densitatea biților mari pe măsură ce crește amplitudinea semnalului analogic. Drept urmare, semnalul digital rămâne la valoarea sa scăzută pentru perioade mai lungi de timp atunci când reprezintă partea inferioară a amplitudinii semnalului analogic. Acest lucru creează un semnal care oferă multe dintre avantajele unui semnal digital, fiind în același timp direct corelat cu semnalul analogic. Pentru a realiza acest lucru, semnalele PDM necesită rate de eșantionare mai mari, peste 3 MHz, deoarece impulsurile digitale trebuie să apară mult mai des decât oscilația semnalului analogic reprezentat.

Natura digitală a PDM îi conferă o rezistență semnificativ mai mare la mediile cu zgomot electric în comparație cu semnalele analogice. În plus, are o toleranță crescută la erori de bit atunci când apare o degradare a semnalului. Cu toate acestea, natura de înaltă frecvență a semnalului conduce la constrângeri cauzate de capacitatea crescută pe liniile de transmisie mai lungi, ceea ce poate cauza o atenuare nedorită și o scădere a calității audio. De asemenea, semnalele PDM au nevoie de o procesare suplimentară de la un DSP extern sau un microcontroler cu un codec adecvat pentru a decima, sau a scădea rata de eșantionare a semnalului PDM la o valoare mai mică, trecându-l printr-un filtru trece-jos, făcându-l astfel utilizabil pentru alte dispozitive. Simplitatea conceptului lor înseamnă că dispozitivele PDM au nevoie doar de două semnale, ceea ce le face, în general, mai puțin costisitoare, cu o utilizare mai redusă a energiei și amprente compacte. Aceste avantaje sunt obținute cu prețul unor circuite suplimentare pentru procesarea semnalului provenit de la dispozitivul PDM.

Prezentarea generală a sunetului Inter-IC (I²S)

I²S este o altă opțiune populară de interfață digitală, care a apărut inițial la mijlocul anilor '80 și care și-a făcut loc doar recent în microfoane și alte dispozitive mici. Atât I²S, cât și PDM sunt interfețe cu două canale, dar aici se termină asemănările. De asemenea, există adesea o relație presupusă sau o confuzie atunci când se compară protocoalele I²S și I²C, dar numele lor sunt pur întâmplătoare.

Figura 2: protocolul de sunet Inter-IC (Sursa imaginii: Same Sky)

I²S este un semnal complet digital, spre deosebire de PDM, ceea ce înseamnă că nu necesită codificare sau decodificare. Este un protocol serial cu trei fire care conține o linie de ceas, una de date și una de „selectare a cuvântului”, „selectarea cuvântului” indicând un canal drept sau stâng cu care sunt asociate datele transmise. Deși nu există o viteză de transmisie a datelor universal necesară, există o viteză minimă care depinde de datele transmise și de precizia acestora. De exemplu, dacă frecvența de eșantionare audio este standardul industrial de 44,1 kHz cu 8 biți de precizie, atunci un canal mono va avea nevoie de o viteză de ceas de cel puțin 352,8 kHz. Aceasta ar fi dublă la 705,6 kHz pentru o aplicație stereo. De asemenea, orice modificare a preciziei ar modifica lățimea de bandă minimă de transmisie.

Frecvența de eșantionare * Precizia datelor * Numărul de canale = Lățimea de bandă

44.100 Hz * 8 biți * 2 canale = 705.600 Hz

Un avantaj principal al I²S este utilizarea unui codec intern prin intermediul filtrului încorporat. În timp ce PDM necesită un codec extern pentru a reduce rata de eșantionare, rata de date a semnalului audio cu I²S este livrată la un nivel deja acceptabil atunci când ajunge la DSP. Acest lucru elimină componentele suplimentare necesare pentru procesarea datelor audio capturate în cadrul proiectului general, ceea ce face ca I²S să fie potrivit pentru aplicațiile care sunt complet autonome și în cazul în care funcționarea cu baterii, eficientă din punct de vedere energetic, este un aspect de interes. Fără a fi nevoie de componente externe suplimentare, economiile de costuri și de spațiu în cazul modelelor compacte, cum ar fi dispozitivele portabile, pot fi, de asemenea, factori cheie.

Atunci când se analizează un proiect general de sistem, este important să se observe dacă există deja capacități DSP. În acest caz, un dispozitiv PDM care poate utiliza capacitățile DSP încorporate în proiect ar putea fi o alegere mai bună decât I²S, care în cele din urmă va consuma mai multă energie și mai multe resurse cu cele trei linii de semnal.

PDM versus I²S

PDM oferă o opțiune atractivă pentru aplicațiile în care calitatea audio este o prioritate, datorită toleranței mai bune la erori de bit și imunității la zgomot. Pe de altă parte, I²S este o alegere excelentă în cazul în care există constrângeri de spațiu sau costurile BOM sunt de interes, datorită ușurinței de instalare, amprentei mai mici și faptului că nu este nevoie de componente externe pentru procesare. De asemenea, I²S poate oferi o calitate mai bună a semnalului pe distanțe mai mari, ceea ce îl face o alegere mai bună decât PDM atunci când microfonul și circuitele de procesare nu sunt atât de aproape unul de celălalt pe PCB. Acestea fiind spuse, I²S nu a fost conceput special pentru transmiterea prin cabluri sau alte dispozitive de transmisie, astfel că nu poate fi dus la extrem, deoarece multe dispozitive nu vor avea o potrivire adecvată a impedanței. În cele din urmă, pentru luarea deciziei finale va fi nevoie de cercetări suplimentare privind cerințele aplicației, componentele disponibile și ratele preconizate de transmitere a datelor.

Rezumat

Microfoanele MEMS continuă să fie utilizate în tot mai multe aplicații într-o varietate de dispozitive electronice, iar selectarea unei interfețe adecvate, fie ea analogică, fie digitală, este esențială pentru a obține cele mai bune rezultate într-o aplicație finală. Same Sky dispune de un portofoliu extins de microfoane MEMS care permit abordarea unei game variate de cerințe ale sistemelor audio. Pe lângă unitățile de interfață analogică sunt disponibile diverse microfoane de interfață digitală PDM și I²S.