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MEMS 麥克風中 PDM 和 I²S 數字輸出接口的比較和選擇

發布時間：2024-09-15 責任編輯：lina

【導讀】本文將詳細討論脈衝密度調製 (PDM) 和集成電路內置音頻 (I²S) 兩liang種zhong數shu字zi接jie口kou，簡jian介jie它ta們men的de獨du特te特te性xing以yi及ji在zai係xi統tong設she計ji時shi的de優you缺que點dian。工gong程cheng師shi具ju體ti選xuan擇ze哪na一yi種zhong，將jiang取qu決jue於yu對dui兩liang種zhong技ji術shu的de研yan究jiu，並bing要yao了le解jie哪na種zhong協xie議yi對dui於yu特te定ding應ying用yong更geng適shi合he。

文章概述

本文將詳細討論脈衝密度調製 (PDM) 和集成電路內置音頻 (I²S) 兩liang種zhong數shu字zi接jie口kou，簡jian介jie它ta們men的de獨du特te特te性xing以yi及ji在zai係xi統tong設she計ji時shi的de優you缺que點dian。工gong程cheng師shi具ju體ti選xuan擇ze哪na一yi種zhong，將jiang取qu決jue於yu對dui兩liang種zhong技ji術shu的de研yan究jiu，並bing要yao了le解jie哪na種zhong協xie議yi對dui於yu特te定ding應ying用yong更geng適shi合he。具體要考慮的幾個關鍵因素包括：

音質
功耗
物料成本
設計的空間限製
硬件的運行環境

如果您在MEMS 麥克風的數字輸出接口選擇上有需求，相信本文會有所幫助。

麥克風用在嵌入式係統中已經有很多年了。自其誕生以來，由於家居、汽車和可穿戴設備中基於語音的應用範圍不斷擴大，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，以及像脈衝密度調製 (PDM) 和集成電路內置音頻 (I²S)這樣的數字輸出亦是如此。

脈衝密度調製 (PDM) 概述

PDM（Pulse Density Modulation，脈衝密度調製）是一種將模擬信號電壓轉換為數字流的技術，這種數字流是通過單比特脈衝密度調製得到的。與音頻中常見的橫波形式不同，PDM信號更像是縱波。不過，PDM信號提供了模擬信號的數字表示形式。

MEMS 麥克風中 PDM 和 I²S 數字輸出接口的比較和選擇

圖 1：PDM 協議（圖片來源：CUI Devices）

上麵圖 1 顯(xian)示(shi)了(le)高(gao)比(bi)特(te)密(mi)度(du)是(shi)如(ru)何(he)隨(sui)著(zhe)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)振(zhen)幅(fu)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)加(jia)的(de)。因(yin)此(ci)，當(dang)代(dai)表(biao)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)振(zhen)幅(fu)的(de)較(jiao)低(di)端(duan)時(shi)，數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)在(zai)其(qi)低(di)值(zhi)上(shang)保(bao)持(chi)的(de)時(shi)間(jian)更(geng)長(chang)。這(zhe)創(chuang)造(zao)了(le)一(yi)個(ge)信(xin)號(hao)，既(ji)有(you)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)的(de)許(xu)多(duo)好(hao)處(chu)，也(ye)仍(reng)然(ran)與(yu)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)直(zhi)接(jie)相(xiang)關(guan)。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)這(zhe)一(yi)點(dian)，PDM 信號需要更高的采樣率，超過 3 MHz，因為數字脈衝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 deshuzixingzhishiqiduidianzaoshenghuanjingdeshiyingxingdadazengqiang。dangfashengxinhaotuihuashi，tahaijuyougenggaodeweirongcuo。raner，xinhaodegaopinxingzhidaozhilejulidexianzhi，yinweijiaochangchuanshuxianlushangdedianrongzengjia，kenengdaozhibubiyaodeshuaijian，congerdaozhiyinpinzhiliangxiajiang。PDM 信號還需要由外部 DSP 或微控製器進行額外處理，並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，從而使其可用於其他設備。其概念的簡單性意味著PDM shebeizhixuyaolianggexinhao，zheshidetamendechengbenpubianjiaodi，gonglvshiyongjiaoshao，zhanyongdedianlubanjiaoxiao。zhexieyoushixuyaotigongewaidianlulaishixian，yichulilaizi 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係或混淆，但它們的名字純粹是巧合。

MEMS 麥克風中 PDM 和 I²S 數字輸出接口的比較和選擇

圖 2：集成電路內置音頻協議（圖片來源：CUI Devices）

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，具有時鍾、數據和“字選擇”線，其中“字選擇”biaoshizhengzaichuanshudeshujusuoguanliandeyouhuozuotongdao。suiranmeiyoupubianyaoqiudeshujuchuanshusudu，danyouyigezuidisudu，taqujueyuchuanshudeshujujiqijingdu。liru，ruguoyinpincaiyanglvshixingyebiaozhunde 44.1kHz，精度為 8 位，那麼一個單聲道需要的時鍾速度至少為 352.8 kHz。對於立體聲應用來說，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fei常chang適shi合he用yong於yu自zi足zu式shi應ying用yong，以yi及ji需xu要yao節jie能neng的de電dian池chi供gong電dian型xing操cao作zuo之zhi處chu。由you於yu不bu需xu要yao額e外wai的de外wai部bu元yuan件jian，在zai可ke穿chuan戴dai設she備bei等deng緊jin湊cou型xing設she計ji中zhong，節jie約yue成cheng本ben和he節jie省sheng空kong間jian也ye可ke以yi成cheng為wei關guan鍵jian因yin素su。

在審視整個係統設計時，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

由於 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。另一方麵，I²S也是一個可靠的選擇，因為它易於安裝，占用空間較小，且不需要外部組件處理什麼，所以在空間限製或 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 上不那麼接近時，它是比 PDM 更好的選擇。話雖如此，I²S並bing不bu是shi專zhuan門men為wei通tong過guo電dian纜lan或huo其qi他ta傳chuan輸shu設she備bei進jin行xing傳chuan輸shu而er設she計ji的de，因yin此ci不bu能neng將jiang其qi推tui向xiang極ji端duan，因yin為wei許xu多duo設she備bei將jiang沒mei有you合he適shi的de阻zu抗kang匹pi配pei。最zui後hou，將jiang需xu進jin一yi步bu調tiao查zha對dui應ying用yong、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 maikefengzaiyixiliedianzishebeizhongshiyongdeyuelaiyueduo，xuanzeyigeheshidejiekou，wulunshimonihaishishuzide，duiyuzaizuizhongyingyongzhongshixianzuijiaxiaoguozhiguanzhongyao。CUI Devices 擁有廣泛的 MEMS 麥克風產品組合，可滿足不同音頻係統要求。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。

（作者： Jeff Smoot，來源：DigiKey電子技術台）

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