En sammenligning av digitale PDM- og I² S-grensesnitt i MEMS-mikrofoner

Mikrofoner har blitt tatt i bruk i innebygde systemer i mange år. MEMS-mikrofoner har imidlertid fra begynnelsen av sett kontinuerlig vekst i markedsbruk takket være det stadig voksende utvalget av talebaserte innretninger i hjemmet, kjøretøy og kroppsbårne enheter. MEMS-mikrofoner tilbyr ikke bare fordeler som kraftig redusert størrelse, lave strømkrav og forbedret elektrisk støyimmunitet, men også økt konstruksjonsfleksibilitet med en rekke utgangsalternativer. MEMS-mikrofoner med analog utgang er fortsatt et alternativ for teknikere, i tillegg til digitale utganger som pulstetthetsmodulasjon (PDM – pulse density modulation) og I²S (inter-IC sound).

Denne artikkelen tar for seg disse to digitale grensesnittene i nærmere detalj og oppsummerer deres unike egenskaper og fordeler og ulemper når det kommer til systemkonstruksjon. Hvilken av disse to en tekniker velger å bruke, vil være basert på en gjennomgåelse av de to teknologiene og en forståelse av hvordan hver protokoll kan være bedre egnet for bestemte konstruksjonsforhold. Flere viktige faktorer som vil tas i betraktning, omfatter:

• Lydkvalitet
• Strømforbruk
• Kostnader relatert til materialliste (BOM)
• Plassbegrensninger for konstruksjonen
• Maskinvarens driftsmiljø

Oversikt over pulstetthetsmodulasjon (PDM)

PDM-signaler brukes til å konvertere en analog signalspenning til en enkeltbits pulstetthetsmodulert digital strøm, og de ligner mer på en lengdebølge enn den typiske transversalbølgen som er å se i lyd. De er imidlertid en digital representasjon av et analogt signal.

Figur 1: PDM-protokoll (Bildekilde: Same Sky)

Figur 1 ovenfor viser hvordan tettheten til de høye bits-ene øker etter hvert som den analoge signalamplituden øker. Som et resultat forblir det digitale signalet på sin lave verdi i lengre perioder når det representerer den nedre delen av den analoge signalamplituden. Dette skaper et signal som gir mange av fordelene til et digitalt signal, samtidig som det er direkte korrelert med det analoge signalet. For å oppnå dette, krever PDM-signaler høyere samplingsfrekvenser på over 3 MHz, fordi de digitale pulsene må oppstå mye oftere enn oscillasjonene i det representerte analoge signalet.

PDM-ens digitale karakter gir den betydelig større utholdenhet mot elektrisk støyende miljøer sammenlignet med analoge signaler. Den har også økt toleranse for bitfeil når signalnedbrytning oppstår. Signalets høyfrekvente karakter fører imidlertid til avstandsbegrensninger på grunn av den økte kapasitansen på lengre overføringslinjer, noe som potensielt kan forårsake uønsket demping (attenuasjon) og et resulterende fall i lydkvalitet. PDM-signaler trenger også ytterligere behandling av en ekstern DSP eller mikrokontroller med en egnet kodek for å redusere, eller nedsample, PDM-signalet til en lavere samplingsfrekvens ved å kjøre det gjennom et lavpassfilter, noe som dermed gjør det brukbart for andre enheter. Enkelheten av konseptet deres betyr at PDM-enheter kun trenger to signaler, noe som generelt sett gjør dem billigere og gir dem lavere strømforbruk og mer kompakt størrelse. Disse fordelene kommer på bekostning av ekstra strømkretser når det gjelder å behandle signalet som kommer fra PDM-enheten.

Oversikt over I²S (inter-IC sound)

I²S er et annet populært digitalt grensesnittalternativ som opprinnelig dukket opp på midten av 1980-tallet, og som først nylig har funnet veien inn i mikrofoner og andre små enheter. I²S og PDM er begge tokanals grensesnitt, men der slutter likhetene. Det er også ofte et antatt forhold eller en forvirring når man sammenligner I²S- og I²C-protokoller, men navnene deres er helt tilfeldige.

Figur 2: I²S-protokoll (Bildekilde: Same Sky)

I²S er et fullstendig digitalt signal, i motsetning til PDM, noe som betyr at det ikke er behov for koding eller dekoding. Det er en serieprotokoll med tre ledninger med en klokke, data og en «word select»-linje, der «word select» betyr en høyre eller venstre kanal hvor dataene som overføres er tilknyttet. Selv om det ikke er noen universelt påkrevd dataoverføringshastighet, er det en minstehastighet som er avhengig av de overførte dataene og nøyaktigheten til disse dataene. For eksempel, hvis lydsamplingsfrekvensen bruker industristandarden på 44,1 kHz med 8 bits presisjon, vil en monokanal trenge en klokkehastighet på minst 352,8 kHz. Dette vil være dobbelt, 705,6 kHz, for en stereokonstruksjon. Alle endringer i presisjon vil også endre minimum overføringsbåndbredde.

samplingsfrekvens * datapresisjon * kanalnummer = båndbredde

44 100 Hz * 8 bits * 2 kanaler = 705 600 Hz

En hovedfordel med I²S er bruken av en intern kodek gjennom det innebygde filteret. Mens PDM krever en ekstern kodek for å få ned samplingsfrekvensen, leveres lydsignalets datahastighet med I²S på et allerede akseptabelt nivå når det når DSP-en. Dette eliminerer ekstra komponenter som kreves for å behandle innsamlede lyddata innenfor den overordnede konstruksjonen, noe som gjør I²S godt egnet for utrustninger som er fullstendig selvforsynte og der energieffektiv batteridrevet drift er et problem. Når det ikke er behov for ekstra eksterne komponenter, kan kostnadsbesparelser og plassbesparelser i kompakte konstruksjoner, for eksempel kroppsbårne enheter, også være viktige faktorer.

Når man ser på en overordnet systemkonstruksjon, er det viktig å gjøre seg oppmerksom på om DSP-funksjoner allerede er på plass. I så fall kan en PDM-enhet som kan utnytte konstruksjonens innebygde DSP-funksjoner være et bedre alternativ enn I²S, som totalt sett vil bruke mer strøm og ressurser med sine tre signallinjer.

PDM kontra I²S

PDM tilbyr et tiltalende alternativ for utrustninger der lydkvalitet er en prioritet på grunn av bedre bitfeiltoleranse og støyimmunitet. Til sammenligning er I²S et solid valg der plassbegrensninger eller materiallistekostnader er faktorer på grunn av enkel installasjon, mindre fotavtrykk og det faktum at det ikke er behov for eksterne komponenter for prosessering. I²S kan også gi bedre signalkvalitet over lengre avstander, noe som gjør den bedre egnet enn PDM når mikrofon og prosessorkretser ikke er så nær hverandre på kretskortet. Når det er sagt, ble ikke I²S utviklet spesielt for overføring over kabler eller andre overføringsenheter, så dette kan ikke tas til en ytterlighet da mange enheter ikke vil ha riktig impedanstilpasning. Når alt kommer til alt, vil det være nødvendig med ytterligere forskning på kravene til konstruksjonen, tilgjengelige komponenter og forventet datahastighet for å kunne ta endelige avgjørelser.

Sammendrag

MEMS-mikrofoner ser kontinuerlig bruk på tvers av en rekke elektroniske enheter, og valget av et egnet grensesnitt, enten det er analogt eller digitalt, er avgjørende for å oppnå de beste resultatene i et sluttprodukt. Same Sky har en omfattende portefølje av MEMS-mikrofoner som gjør det mulig å imøtekomme et mangfold av lydsystemkrav. I tillegg til analoge grensesnittenheter, er forskjellige PDM og I2S digitale grensesnittmikrofoner lett tilgjengelige.