En sammenligning af digitale PDM- og I²S-interfaces i MEMS-mikrofoner

Mikrofoner har været anvendt i embedded systemer i mange år. Men siden MEMS-mikrofoner blev udviklet, har de hurtigt oplevet en stadig stigende anvendelse på markedet pga. det stadigt voksende udvalg af talebaserede applikationer i hjemmet, i biler og i wearables. MEMS-mikrofoner giver ikke kun fordelene ved et betydeligt mindre fodaftryk, lavt strømbehov og forbedret elektrisk støjimmunitet, men også større designfleksibilitet med en række output-muligheder. MEMS-mikrofoner med analog udgang er stadig en mulighed for ingeniører, og der findes også digitale udgange som pulse density modulation (PDM) og inter-IC sound (I²S).

I denne artikel vil disse to digitale interfaces blive diskuteret mere detaljeret og deres unikke karakteristika samt deres fordele og ulemper i forbindelse med systemdesignet blive beskrevet. Hvilken af de to teknologier en ingeniør vælger, afhænger af en undersøgelse af de to teknologier og en forståelse af, hvordan hver protokol kan være bedre egnet til specifikke anvendelsesbetingelser. Der vil blive taget hensyn til en række vigtige overvejelser, bl.a:

• Lydkvalitet
• Strømforbrug
• Materialeomkostninger (BOM)
• Pladsproblemer i forbindelse med konstruktionen
• Hardwareens driftsmiljø

Oversigt over PDM

PDM-signaler, der bruges til at konvertere en analog signalspænding til en digital single-bit pulse density modulated stream, ligner mere en langsgående bølge end den typiske tværgående bølge, der ses i lyd. De er imidlertid en digital repræsentation af et analogt signal.

Figur 1: PDM-protokol (Billedkilde: Same Sky)

Figur 1 ovenfor viser, hvordan tætheden af de høje bits stiger, når amplituden af det analoge signal stiger. Som følge heraf forbliver det digitale signal på sin lave værdi i længere tid, når det repræsenterer den nederste ende af det analoge signals amplitude. Dette skaber et signal, der giver mange af fordelene ved et digitalt signal, samtidig med at det stadig er direkte korreleret med det analoge signal. For at opnå dette kræver PDM-signaler højere samplingfrekvenser på over 3 MHz, fordi de digitale impulser skal forekomme meget oftere end svingningerne i det repræsenterede analoge signal.

PDM's digitale karakter giver det en betydelig større modstandsdygtighed over for elektrisk støjende miljøer sammenlignet med analoge signaler. Den har også en øget bitfejl-tolerance, når der opstår signalforringelse. Signalets højfrekvente karakter medfører imidlertid afstandsbegrænsninger pga. den øgede kapacitans på længere transmissionsledninger, hvilket kan medføre uønsket dæmpning og et deraf følgende fald i lydkvaliteten. PDM-signaler skal også behandles yderligere af en ekstern DSP eller mikrocontroller med et passende codec til at decimere eller nedjustere PDM-signalet til en lavere samplingfrekvens ved at køre det gennem et lavpasfilter, så det kan bruges til andre enheder. Konceptets enkelhed betyder, at PDM-enheder kun har brug for to signaler, hvilket gør dem generelt billigere med et lavere strømforbrug og et kompakt fodaftryk. Disse fordele kommer på bekostning af yderligere kredsløb til behandling af signalet fra PDM-enheden.

Oversigt over I²S

I²S er en anden populær digital interface-mulighed, som oprindeligt blev udviklet i midten af 1980'erne og først for nylig har fundet vej til mikrofoner og andre små enheder. I²S og PDM er begge to-kanals interfaces, men det er slutningen af deres ligheder. Der er også ofte en formodet forbindelse eller forvirring, når I²S- og I²C-protokoller sammenlignes, men deres navne er rent tilfældige.

Figur 2: I²C-protokol (Billedkilde: Same Sky)

I²S er et helt digitalt signal i modsætning til PDM, hvilket betyder, at det ikke kræver hverken kodning eller afkodning. Det er en serieprotokol med tre ledninger med en clock-, data- og "word select"-linje, hvor "word select" angiver en højre eller venstre kanal, hvor de data, der overføres, er tilknyttet. Der er ikke noget universelt krav til dataoverførselshastighed, men der er en minimumshastighed, som afhænger af de overførte data og deres præcision. Hvis audiosampleraten f.eks. er industristandarden 44,1 kHz med 8 bits præcision, skal en monokanal have en clock-hastighed på mindst 352,8 kHz. Det vil være det dobbelte ved 705,6 kHz for en stereoanvendelse. Enhver ændring i præcisionen vil også ændre den mindste transmissionsbåndbredde.

Samplefrekvens * datapræcision * kanalnummer = båndbredde

44.100 Hz * 8 bit * 2 kanaler = 705.600 Hz

En af hovedfordelene ved I²S er brugen af et internt codec gennem det indbyggede filter. Mens PDM kræver et eksternt codec for at sænke samplingfrekvensen, leveres lydsignalet med I²S med en datahastighed på et allerede acceptabelt niveau, når det ankommer til DSP'en. Dette eliminerer de ekstra komponenter, der er nødvendige for at behandle de optagede lyddata i det samlede design, hvilket gør I²S velegnet til applikationer, der er helt selvstændige, og hvor energieffektiv batteridrift er et problem. Uden behov for yderligere eksterne komponenter kan omkostningsbesparelser og pladsbesparelser i kompakte designs, f.eks. i wearables, også være vigtige faktorer.

Når man ser på et samlet systemdesign, er det vigtigt at bemærke, om der allerede er DSP-funktioner på plads. Hvis det er tilfældet, kan en PDM-enhed, der kan udnytte designets indbyggede DSP-funktioner, være et bedre valg end I²S, der i sidste ende vil forbruge mere strøm og ressourcer med sine tre signallinjer.

PDM vs. I²S

PDM er en tiltalende mulighed for applikationer, hvor lydkvalitet er en prioritet pga. den bedre bitfejltolerance og støjimmunitet. På den anden side er I²S et solidt valg, når pladsbegrænsninger eller BOM-omkostninger er et problem, fordi det er let at installere, har mindre pladsbehov og ikke har brug for eksterne komponenter til behandling. I²S kan også give en bedre signalkvalitet over længere afstande, hvilket gør det til et bedre valg end PDM, når mikrofon- og behandlingskredsløb ikke er så tæt på hinanden på PCB'et. Når det er sagt, er I²S ikke designet specielt til transmission via kabler eller andre transmissionsudstyr, så dette kan ikke tages til en yderlighed, da mange enheder ikke vil have korrekt impedanstilpasning. I sidste ende er det nødvendigt med yderligere undersøgelser af applikationens krav, tilgængelige komponenter og forventede datahastigheder for at træffe en endelig beslutning.

Sammenfatning

MEMS-mikrofoner finder stadig flere anvendelsesmuligheder i en række elektroniske enheder, og valget af en passende interface, hvad enten den er analog eller digital, er afgørende for at opnå de bedste resultater i en slutanvendelse. Same Sky har en omfattende portefølje af MEMS-mikrofoner, der gør det muligt at imødekomme en bred vifte af lydsystemkrav. Ud over analoge interface-enheder er forskellige PDM- og I²S-digitalinterface-mikrofoner let tilgængelige.