Porównanie cyfrowych interfejsów PDM oraz I²S w mikrofonach MEMS

Mikrofony są wykorzystywane w systemach wbudowanych od wielu lat. Jednak od samego początku istnienia ich rynek szybko rósł ze względu na stale poszerzający się zakres zastosowań głosowych w domu, motoryzacji i urządzeniach ubieralnych. Mikrofony mikroelektromechaniczne (MEMS) oferują nie tylko korzyści w postaci znacznie zmniejszonej zajmowanej powierzchni, niskiego zapotrzebowania na energię i zwiększonej odporności na zakłócenia elektryczne, ale także większej elastyczności projektowania dzięki wielu wariantom wyjść. Inżynierowie mają wciąż do wyboru mikrofony MEMS z wyjściem analogowym, a także mikrofony z wyjściami cyfrowymi, np. z modulacją gęstości impulsu (PDM) czy z magistralą Inter-IC Sound (I²S).

W niniejszym artykule omówimy wspomniane dwa interfejsy cyfrowe bardziej szczegółowo, przedstawiając ich unikalne cechy, a także ich zalety i wady w kontekście projektowania systemów. Wybór sprowadza się do zbadania obu technologii i zrozumienia, w jaki sposób każdy protokół może być lepiej dostosowany do warunków określonego zastosowania. Kilka kluczowych kwestii, które zostaną wzięte pod uwagę:

• Jakość dźwięku
• Pobór mocy
• Koszty wykazu materiałów (BOM)
• Ograniczenia przestrzenne projektu
• Środowisko pracy sprzętu

Omówienie modulacji gęstości impulsów (PDM)

Przedstawiony interfejs jest stosowany do konwersji napięcia sygnału analogowego na jednobitowy strumień cyfrowy z modulacją gęstości impulsów (PDM). Sygnały PDM bardziej przypominają falę podłużną niż typową falę poprzeczną obserwowaną w systemach audio. Są jednak cyfrową reprezentacją sygnału analogowego.

Ilustracja 1: protokół modulacji gęstości impulsów (PDM) (źródło ilustracji: Same Sky)

Ilustracja 1 powyżej ukazuje wzrost gęstości bitów wysokich wraz ze wzrostem amplitudy sygnału analogowego. W rezultacie wartość sygnału cyfrowego pozostaje na niskim poziomie przez dłuższy czas, gdy reprezentuje dolny koniec amplitudy sygnału analogowego. W ten sposób powstaje sygnał, który oferuje wiele zalet sygnału cyfrowego, a jednocześnie jest bezpośrednio skorelowany z sygnałem analogowym. W tym celu sygnały PDM wymagają wyższych częstotliwości próbkowania, powyżej 3MHz, ponieważ impulsy cyfrowe muszą występować znacznie częściej niż oscylacje reprezentowanego sygnału analogowego.

Cyfrowy charakter protokołu PDM zapewnia mu znacznie większą odporność na zakłócenia elektryczne w porównaniu z sygnałami analogowymi. Ma również zwiększoną tolerancję błędów bitowych w przypadku pogorszenia jakości sygnału. Jednak wysokoczęstotliwościowy charakter sygnału wymusza ograniczenia odległości ze względu na zwiększoną pojemność na dłuższych przewodach transmisyjnych, która może powodować niepożądane tłumienie i wynikający z tego spadek jakości dźwięku. Aby sygnały PDM można było zastosować w innych urządzeniach, wymagają one również dodatkowego przetwarzania przez zewnętrzny cyfrowy procesor sygnałowy (DSP) lub mikrokontroler z odpowiednim kodekiem w celu ich decymacji lub próbkowania w dół do niższej częstotliwości próbkowania poprzez ich skierowanie przez filtr dolnoprzepustowy. Prostota koncepcji oznacza, że urządzenia PDM potrzebują tylko dwóch sygnałów, dzięki czemu są ogólnie tańsze, a przy tym pobierają mniej mocy i są bardziej kompaktowe. Zalety te są okupione dodatkowymi obwodami przetwarzania sygnałów pochodzących z urządzenia PDM.

Omówienie interfejsu Inter-IC Sound (I²S)

I²S to kolejny popularny rodzaj interfejsu cyfrowego, który pierwotnie pojawił się w połowie lat 80. i dopiero niedawno trafił do mikrofonów i innych małych urządzeń. I²S i PDM są interfejsami dwukanałowymi, ale na tym koniec ich podobieństw. Często dochodzi do pomylenia protokołów I²S oraz I²C jednak podobieństwo nazw jest całkowicie przypadkowe.

Ilustracja 2: protokół Inter-IC Sound (I²S) (źródło ilustracji: Same Sky)

W przeciwieństwie do PDM, protokół I²S wykorzystuje sygnały całkowicie cyfrowe, co oznacza, że nie wymaga kodowania ani dekodowania. Jest to trójprzewodowy protokół szeregowy z linią zegara, danych oraz wyboru słowa, która identyfikuje kanał (prawy/lewy), z którym powiązane są przesyłane dane. Chociaż nie występuje ogólnie wymagana prędkość transmisji danych, istnieje minimalna prędkość, która zależy od przesyłanych danych i ich dokładności. Na przykład: jeśli standard branżowy częstotliwości próbkowania dźwięku wynosi 44,1kHz z precyzją 8 bitów, to kanał mono będzie wymagał częstotliwości zegara co najmniej 352,8kHz. W zastosowaniach stereofonicznych byłoby to dwa razy więcej, czyli 705,6kHz. Każda zmiana precyzji zmieniłaby również minimalną przepustowość transmisji.

Częstotliwość próbkowania * Precyzja danych * Liczba kanałów = Przepustowość

44100Hz * 8 bitów * 2 kanały = 705600Hz

Główną zaletą protokołu I²S jest wykorzystanie wewnętrznego kodeka poprzez wbudowany filtr. Podczas gdy protokół PDM wymaga zewnętrznego kodeka do obniżenia częstotliwości próbkowania, szybkość przesyłu danych sygnału audio przy użyciu I²S jest dostarczana do cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) na już akceptowalnym poziomie. Eliminuje to potrzebę stosowania dodatkowych komponentów służących do przetwarzania przechwyconych danych audio w ramach całego projektu, dzięki czemu interfejs I²S doskonale nadaje się do zastosowań w pełni samowystarczalnych i takich, w których problemem jest energooszczędna praca przy zasilaniu bateryjnym. W kompaktowych konstrukcjach, takich jak urządzenia ubieralne, kluczowymi czynnikami mogą być również: brak potrzeby stosowania dodatkowych komponentów zewnętrznych, oszczędność kosztów oraz miejsca.

Patrząc na ogólny projekt systemu, ważne jest sprawdzenie, czy zawiera on już funkcje cyfrowego procesora sygnałowego (DSP). W takim przypadku urządzenie PDM, które może wykorzystywać wbudowany cyfrowy procesor sygnałowy (DSP), może być lepszym wyborem niż urządzenie z interfejsem I²S, które ostatecznie pobiera więcej mocy i zużywa więcej zasobów w związku z użyciem trzech linii sygnałowych.

PDM kontra I²S

Interfejs PDM stanowi atrakcyjną opcję dla zastosowań, w których priorytetem jest jakość dźwięku. Jest tak ze względu na lepszą tolerancję błędów bitowych i odporność na zakłócenia. Z drugiej strony, ze względu na łatwość instalacji, mniejsze rozmiary i brak konieczności stosowania komponentów zewnętrznych do przetwarzania, interfejs I²S będzie dobrym wyborem do zastosowań, w których trzeba mieć na uwadze ograniczenia przestrzenne lub koszty wykazu materiałów (BOM). Interfejs I²S może również zapewnić lepszą jakość sygnału na większych odległościach, co czyni go lepszym wyborem od PDM, gdy mikrofon i obwody przetwarzające nie są tak blisko siebie na płytce drukowanej. Podsumowując, interfejs I²S nie został zaprojektowany z myślą o transmisji przez kable lub inne urządzenia przesyłowe, więc nie można go nadużywać, ponieważ wiele urządzeń nie będzie miało odpowiedniego dopasowania impedancji. Ostatecznie, aby dokonać końcowych ustaleń, potrzebna będzie dodatkowa analiza wymagań konkretnego zastosowania, dostępnych komponentów i oczekiwanych szybkości transmisji danych.

Podsumowanie

Mikrofony MEMS znajdują coraz więcej zastosowań w wielu urządzeniach elektronicznych, a wybór odpowiedniego interfejsu, analogowego czy też cyfrowego, ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia najlepszych efektów. Firma Same Sky posiada szeroką ofertę mikrofonów mikroelektromechanicznych (MEMS) , które pozwalają na zaspokojenie różnorodnych wymagań systemów audio. Oprócz urządzeń z interfejsami analogowymi, dostępne są także różnorodne mikrofony z interfejsami PDM oraz cyfrowymi interfejsami I²S.