Srovnání digitálních rozhraní PDM a I²S v mikrofonech MEMS

Mikrofony se ve vestavěných systémech používají již mnoho let. Od svého počátku však začaly být mikrofony MEMS rychle čím dál více využívány díky stále se rozšiřující řadě aplikací založených na hlasu v domácnostech, automobilech a v nositelné elektronice. Mikrofony MEMS nenabízejí výhody pouze výrazně zmenšených půdorysů, nízkých požadavků na napájení a vylepšené odolnosti proti elektrickému šumu, ale také větší flexibilitu návrhu s řadou možností výstupu. Možnou volbou pro techniky jsou stále mikrofony MEMS s analogovým výstupem stejně jako s digitálními výstupy, jako je pulzně hustotní modulace („pulse density modulation“, PDM) a Inter-IC Sound (I²S).

Tento článek se bude podrobněji zabývat těmito dvěma digitálními rozhraními a nastíní jejich jedinečné vlastnosti a také jejich výhody a nevýhody, co se týče návrhu systému. To, které rozhraní si technik vybere, závisí na prozkoumání obou technologií a na porozumění, který z těchto dvou protokolů by mohl být pro konkrétní podmínky aplikace vhodnější. Mezi několik klíčových aspektů, které budou vzaty v úvahu, patří:

• Kvalita zvuku
• Spotřeba energie
• Náklady na kusovníky (BOM)
• Prostorová omezení návrhu
• Operační prostředí hardwaru

Přehled pulzně hustotní modulace (PDM)

Signály PDM, které se používají k převodu napětí analogového signálu na jednobitový digitální stream modulovaný hustotou pulzů, se více podobají podélné vlně než typické příčné vlně, kterou lze ve zvuku vidět. Jsou však digitální reprezentací analogového signálu.

Obrázek 1: Protokol PDM (zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Na obrázku 1 výše lze vidět, jak se hustota vysokých bitů zvyšuje s rostoucí amplitudou analogového signálu. Výsledkem je, že digitální signál, když představuje spodní konec amplitudy analogového signálu, zůstává na své nízké hodnotě po delší doby. To vytváří signál, který nabízí mnoho výhod digitálního signálu, ale který je stále přímo korelován s analogovým signálem. K dosažení této vlastnosti vyžadují signály PDM vyšší vzorkovací frekvence, více než 3 MHz, protože digitální impulzy se musí vyskytovat mnohem častěji než oscilace reprezentovaného analogového signálu.

Digitální povaha signálu PDM poskytuje ve srovnání s analogovými signály výrazně větší odolnost vůči prostředí s elektrickým šumem. Když dojde k degradaci signálu, má signál také zvýšenou toleranci bitové chyby. Vysokofrekvenční povaha signálu však vede k omezení vzdálenosti v důsledku zvýšené kapacity na delších přenosových vedeních, která potenciálně způsobuje nežádoucí útlum a následný pokles kvality zvuku. Signály PDM potřebují také dodatečné zpracování externím DSP nebo mikrokontrolérem s vhodným kodekem pro decimování nebo převzorkování signálu PDM na nižší vzorkovací frekvenci průchodem přes dolní propust, aby byl použitelný jinými zařízeními. Jednoduchost jejich koncepce znamená, že zařízení PDM potřebují pouze dva signály, díky čemuž jsou s nižší spotřebou energie a kompaktními rozměry levnější. Tyto výhody přicházejí za cenu dalších obvodů pro zpracování signálu přicházejícího ze zařízení PDM.

Přehled rozhraní Inter-IC Sound (I²S)

I²S je další oblíbená možnost digitálního rozhraní, která se prvně objevila v polovině 80. let 20. století a teprve nedávno si našla cestu do mikrofonů a dalších malých zařízení. I²S a PDM jsou obě dvoukanálová rozhraní, ale tím jejich podobnost končí. Často se předpokládá vztah mezi protokoly I²S a I²C nebo se vzájemně zaměňují, ale jejich názvy jsou čistě náhodné.

Obrázek 2: Protokol Inter-IC Sound (zdroj obrázku: společnost Same Sky)

I²S je na rozdíl od PDM zcela digitální signál, což znamená, že nevyžaduje kódování ani dekódování. Jedná se o třívodičový sériový protokol obsahující linku hodiny, data a „word select“, přičemž linka „word select“ určuje pravý nebo levý kanál, ke kterému jsou přidružena přenášená data. I když neexistuje žádná univerzálně požadovaná rychlost přenosu dat, existuje minimální rychlost, která je závislá na přenášených datech a jejich přesnosti. Pokud je například vzorkovací frekvence zvuku 44,1 kHz, standard oboru, s přesností 8 bitů, pak bude monokanál potřebovat frekvenci hodin alespoň 352,8 kHz. Pro stereoaplikaci by to byl dvojnásobek – 705,6 kHz. Jakákoli změna přesnosti by změnila také minimální přenosovou šířku pásma.

Vzorkovací frekvence × přesnost dat × počet kanálů = šířka pásma

44 100 Hz × 8 bitů × 2 kanály = 705 600 Hz

Hlavní výhodou formátu I²S je využití interního kodeku prostřednictvím vestavěného filtru. Zatímco protokol PDM vyžaduje ke snížení vzorkovací frekvence externí kodek, datová rychlost zvukového signálu s protokolem I²S je při dosažení DSP dodávána na již přijatelné úrovni. Tím se eliminují další komponenty potřebné ke zpracování zachycených zvukových dat v rámci celkového návrhu, díky čemuž se protokol I²S dobře hodí pro aplikace, které jsou zcela samostatné a kde záleží na energeticky účinném bateriovém provozu. Kromě eliminace potřeby dalších externích komponent mohou být u kompaktních návrhů, jako je nositelná elektronika, klíčovými faktory také úspora nákladů a prostoru.

Při pohledu na celkový návrh systému je důležité zjistit, zda je návrh již vybaven funkcemi DSP. Pokud ano, zařízení PDM, které může využívat vestavěné funkce DSP návrhu, může být lepší volbou oproti formátu I²S, který se svými třemi linkami signálu nakonec spotřebuje více energie a zdrojů.

Rozhraní PDM vs. I²S

Protokol PDM nabízí díky lepší toleranci bitových chyb a odolnosti vůči šumu atraktivní možnost pro aplikace, kde je prioritou kvalita zvuku. Na druhou stranu je kvůli snadné instalaci, menším rozměrům a eliminaci nutnosti externích komponent pro zpracování solidní volbou formát I²S všude, kde panují obavy z prostorových omezení nebo nákladů na kusovník. Formát I²S může také poskytnout vyšší kvalitu signálu na větší vzdálenosti, což z něj dělá lepší volbu oproti protokolu PDM, když nejsou mikrofon a obvody zpracování na desce plošných spojů tak blízko u sebe. Formát I²S však nebyl navržen speciálně pro přenos přes kabely nebo jiná přenosová zařízení, takže to nelze brát do extrému, protože mnoho zařízení nebude mít správné přizpůsobení impedance. Ve výsledku bude zapotřebí další výzkum požadavků aplikace, dostupných komponent a očekávaných datových rychlostí, aby bylo možné učinit jakákoli konečná rozhodnutí.

Shrnutí

Mikrofony MEMS nacházejí stále více využití v řadě elektronických zařízení a výběr vhodného rozhraní, ať už analogového, nebo digitálního, je v konečné aplikaci pro dosažení nejlepších výsledků zásadní. Společnost Same Sky má rozsáhlé portfolio mikrofonů MEMS, které umožňuje řešit různorodou škálu požadavků na zvukový systém. Snadno dostupné jsou navíc jednotky analogového rozhraní a různé mikrofony s digitálními rozhraními PDM a I²S.