MEMS 麥克風中數字 PDM 和 I2S 接口之比較

作者：Jeff Smoot

麥克風用在嵌入式系統中已經有很多年了。然而，自其誕生以來，由于家居、汽車和可穿戴設備中基于語音的應用范圍不斷擴大，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，以及像脈沖密度調制 （PDM） 和集成電路內置音頻 （I2S） 這樣的數字輸出亦是如此。

本文將詳細討論這兩種數字接口，簡介它們的獨特特性以及在系統設計時的優缺點。工程師具體選擇哪一種，將取決于對兩種技術的研究，并要了解那種協議對于特定應用更適合。具體要考慮的幾個關鍵因素包括：

音質

功耗

物料成本

設計的空間限制

硬件的運行環境

脈沖密度調制 （PDM） 概述

用于將模擬信號電壓轉換為經過單比特脈沖密度調制的數字流，PDM 信號更接近于縱波，而不是在音頻中看到的典型橫波。不過，它們是模擬信號的數字表示。

上面圖 1
顯示了高比特密度是如何隨著模擬信號振幅的增加而增加的。因此，當代表模擬信號振幅的較低端時，數字信號在其低值上保持的時間更長。這創造了一個信號，既有數字信號的許多好處，也仍然與模擬信號直接相關。為了實現這一點，PDM信號需要更高的采樣率，超過 3 MHz，因為數字脈沖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的數字性質使其對電噪聲環境的適應性大大增強。當發生信號退化時，它還具有更高的位容錯。然而，信號的高頻性質導致了距離的限制，因為較長傳輸線路上的電容增加，可能導致不必要的衰減，從而導致音頻質量下降。PDM信號還需要由外部 DSP 或微控制器進行額外處理，并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，從而使其可用于其他設備。其概念的簡單性意味著 PDM設備只需要兩個信號，這使得它們的成本普遍較低，功率使用較少，占用的電路板較小。這些優勢需要提供額外電路來實現，以處理來自 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系或混淆，但它們的名字純粹是巧合。

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，具有時鐘、數據和“字選擇”線，其中“字選擇”表示正在傳輸的數據所關聯的右或左通道。雖然沒有普遍要求的數據傳輸速度，但有一個最低速度，它取決于傳輸的數據及其精度。例如，如果音頻采樣率是行業標準的44.1kHz，精度為 8 位，那么一個單聲道需要的時鐘速度至少為 352.8 kHz。對于立體聲應用來說，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非常適合用于自足式應用，以及需要節能的電池供電型操作之處。由于不需要額外的外部元件，在可穿戴設備等緊湊型設計中，節約成本和節省空間也可以成為關鍵因素。

在審視整個系統設計時，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

由于 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。另一方面，I2S也是一個可靠的選擇，因為它易于安裝，占用空間較小，且不需要外部組件處理什么，所以在空間限制或 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 上不那么接近時，它是比 PDM 更好的選擇。話雖如此，I2S并不是專門為通過電纜或其他傳輸設備進行傳輸而設計的，因此不能將其推向極端，因為許多設備將沒有合適的阻抗匹配。最后，將需進一步調查對應用、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 麥克風在一系列電子設備中使用得越來越多，選擇一個合適的接口，無論是模擬還是數字的，對于在最終應用中實現最佳效果至關重要。CUI Devices擁有廣泛的 MEMS 麥克風產品組合，可滿足不同音頻系統要求。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。