MEMS 麥克風的數位 PDM 與 I²S 介面的比較

 Source MEMS 麥克風 – PDM 與 I²S 的比較 | DigiKey

作者：CUI Devices 應用工程與動作控制部門副總裁 Jeff Smoot

2022-07-11

麥克風已用於嵌入式系統多年。然而，自 MEMS 麥克風問世以來，由於家庭、汽車和穿戴式裝置中以語音為基礎的應用不斷擴張，MEMS 麥克風的市場使用量也迅速成長。MEMS 麥克風不僅提供顯著的優勢，包含縮減的覆蓋區、低功率要求和改善的電雜訊耐受性，還具有更大的設計靈活性和多種輸出選項。工程師仍然可以選擇類比輸出 MEMS 麥克風，以及脈衝密度調變 (PDM) 和積體電路內置音訊匯流排 (I²S) 等數位輸出。

本文將詳細討論這兩種數位介面，概述兩者的獨特特性以及在系統設計方面的優缺點。工程師會對兩種技術進行檢驗，並瞭解各種協定如何更適合特定的應用條件，進而做出選擇。需考慮的幾個關鍵因素包括：

• 音訊品質
• 功耗
• 物料清單 (BOM) 成本
• 設計的空間限制
• 硬體作業環境

脈衝密度調變 (PDM) 概述

PDM 訊號用於將類比訊號電壓轉換為單位元脈衝密度調變數位流，PDM 訊號更接近縱波，而非音訊中的典型橫波。不過，它們是類比訊號的數位呈現。

圖 1：PDM 協定 (圖片來源：CUI Devices)

上圖 1 顯示高位元的密度如何隨著類比訊號幅度的增加而增加。結果是，數位訊號在代表類比訊號幅度的下端時，會保持低值較長時間。這創造了一種訊號，其具備數位訊號許多優點，同時仍與類比訊號直接相關。為了達到這一點，PDM 訊號需要更高的採樣率 (高於 3 MHz)，因為數位脈衝必須比所代表的類比訊號振盪更頻繁。

與類比訊號相比，PDM 的數位特性使其對電雜訊環境的耐受性顯著提升。發生訊號降額時，還增加了誤碼容限。然而，訊號的高頻特性會導致距離限制，因為較長傳輸線上的電容增加可能會產生不必要的衰減，並造成音訊品質下降。PDM 訊號還需由外部 DSP 或具有適當編解碼器的微控制器進行額外處理，透過低通濾波器傳輸 PDM 訊號，減退抽樣 (decimate) 或降低取樣頻率 (downsample) 到較低的採樣率，使其可用於其他裝置。此簡單的概念代表 PDM 裝置只需兩個訊號，因此通常更便宜、功耗更低、覆蓋區更小。這些優勢來自於需增加電路來處理 PDM 裝置的訊號。

積體電路內置音訊匯流排 (I²S) 概述

I²S 是另一種流行的數位介面選項，最初出現在 1980 年代中期，直到最近才用於麥克風和其他小型裝置。I²S 和 PDM 都是雙通道介面，它們的相似之處僅此而已。比較 I²S 和 I2C 協定時，通常還會以為兩者有其他關係或被混淆，但它們的名稱純屬巧合。

圖 2：I²S 協定 (圖片來源：CUI Devices)

I²S 與 PDM 不同，I²S 是完全數位訊號，因此無須編碼或解碼。它是一種三線序列協定，具有時脈、資料和「字元選擇」線，「字元選擇」指示與傳輸資料關聯的右通道或左通道。雖然對資料傳輸速度無普遍要求，但仍有依據傳輸資料及其精密度的最低速率需求。例如，如果音訊採樣率是 44.1 kHz 的產業標準，精密度為 8 位元，則單聲道需要至少 352.8 kHz 的時脈速度。立體聲應用將會是 705.6 kHz (雙倍)。精密度若有任何變化，也會改變最小傳輸頻寬。

採樣頻率 * 資料精密度 * 通道數 = 頻寬

44,100 Hz * 8 位元 * 2 通道 = 705,600 Hz

I²S 的主要優點之一是可透過其內建濾波器，使用內部編解碼器。PDM 需要外部編解碼器來降低其採樣率，但含 I²S 音訊訊號的資料速率在到達 DSP 時已可接受。因此在整體設計中，無須處理擷取音訊資料所需的額外零件，使 I²S 非常適合完全自足式，且需要考量高能效電池供電操作的應用。在無需額外外部零件的情況下，穿戴式裝置等緊湊型設計的成本和空間節約也成為關鍵因素。

探討整體系統設計時，必須注意 DSP 功能是否已經到位。如果是這樣，可以選用設計內建 DSP 功能的 PDM 裝置，這可能是比 I²S 更好的選擇，因為 I²S 會從三條訊號線消耗更多的功率和資源。

PDM 與 I²S 的比較

PDM 是對優先考量音訊品質的應用而言，更有吸引力的選項，因為它具有更好的誤碼容限和抗噪性。另一方面，I²S 是考慮空間受限或 BOM 成本的可靠選擇，因為它易於安裝、覆蓋區更小且無需外部零件進行處理。I²S 還可以在更長的距離提供更佳的訊號品質；當麥克風和處理電路在 PCB 上沒有很靠近時，是比 PDM 更好的選擇。話雖如此，I²S 並不是專門為經由纜線或其他傳輸裝置進行傳輸所設計，因此這並非絕對，因為許多裝置沒有適當的匹配阻抗。追根究底，在做出任何最終決定前，需要對應用需求、可用零件、預期資料傳輸率進行更多研究。

結論

MEMS 麥克風在各電子裝置中的用途不斷增加，選擇合適的介面 (無論是類比或是數位) 才能在最終應用中獲得最佳結果。CUI Devices 提供豐富的 MEMS 麥克風產品組合，可滿足各種音訊系統要求。除了類比介面單元，還有各種 PDM 和 I²S 數位介面麥克風。