Een vergelijking van digitale PDM- en I²S-interfaces in MEMS-microfoons

Microfoons worden al vele jaren gebruikt in embedded systemen. Sinds hun ontstaan hebben MEMS-microfoons hun markttoepassing echter snel zien groeien door de steeds groter wordende reeks spraakgebaseerde toepassingen in huis, auto's en wearables. MEMS-microfoons bieden niet alleen de voordelen van een aanzienlijk kleinere footprint, een laag stroomverbruik en een betere immuniteit voor elektrische ruis, maar ook een grotere ontwerpflexibiliteit met een aantal uitgangsopties. Analoge uitgangsmicrofoons van MEMS zijn nog steeds een optie voor ingenieurs, evenals digitale uitgangen zoals pulsdensiteitsmodulatie (PDM) en inter-IC geluid (I²S).

In dit artikel worden deze twee digitale interfaces nader besproken, waarbij hun unieke kenmerken en hun voor- en nadelen met betrekking tot het systeemontwerp worden geschetst. Welke technologie een ingenieur kiest, zal afhangen van het onderzoek van de twee technologieën en van het inzicht hoe elk protocol beter geschikt is voor specifieke toepassingsomstandigheden. Enkele belangrijke overwegingen waarmee rekening zal worden gehouden, zijn:

• Geluidskwaliteit
• Stroomverbruik
• Bill-of-materials (BOM) kosten
• Ruimtegebrek van het ontwerp
• Operationele omgeving van de hardware

Overzicht pulsdichtheidsmodulatie (PDM)

PDM-signalen worden gebruikt om een analoge signaalspanning om te zetten in een single-bit pulsdicht gemoduleerde digitale stroom en lijken meer op een longitudinale golf dan op de typische transversale golf die bij audio wordt waargenomen. Zij zijn echter een digitale weergave van een analoog signaal.

Afbeelding 1: PDM-protocol (Bron afbeelding: Same Sky)

In Afbeelding 1 hierboven is te zien hoe de dichtheid van de hoge bits toeneemt naarmate de amplitude van het analoge signaal toeneemt. Als gevolg daarvan blijft het digitale signaal langer op zijn lage waarde wanneer het de onderkant van de amplitude van het analoge signaal weergeeft. Hierdoor ontstaat een signaal dat veel voordelen biedt van een digitaal signaal, terwijl het toch direct gecorreleerd is met het analoge signaal. Om dit te bereiken zijn voor PDM-signalen hogere bemonsteringsfrequenties nodig, meer dan 3 MHz, omdat de digitale pulsen veel vaker moeten voorkomen dan de oscillatie van het weergegeven analoge signaal.

Doordat PDM digitaal is, is het veel beter bestand tegen omgevingen met veel elektrische ruis dan analoge signalen. Het heeft ook een grotere bitfoutentolerantie wanneer signaaldegradatie optreedt. Het hoogfrequente karakter van het signaal leidt echter tot afstandsbeperkingen als gevolg van de grotere capaciteit op langere transmissielijnen, waardoor ongewenste verzwakking kan optreden en de geluidskwaliteit achteruit kan gaan. PDM-signalen moeten ook nog worden verwerkt door een externe DSP of microcontroller met een geschikte codec om het PDM-signaal te decimeren, of te downsamplen, tot een lagere sample-snelheid door het door een laagdoorlaatfilter te voeren, zodat het bruikbaar wordt voor andere toestellen. De eenvoud van hun concept betekent dat PDM-apparaten slechts twee signalen nodig hebben, waardoor ze over het algemeen goedkoper zijn, minder stroom verbruiken en compacter zijn. Deze voordelen gaan ten koste van extra schakelingen om het signaal van het PDM-apparaat te verwerken.

Inter-IC geluid (I²S) overzicht

I²S is een andere populaire digitale interface-optie die oorspronkelijk in het midden van de jaren tachtig verscheen en pas onlangs zijn weg heeft gevonden naar microfoons en andere kleine toestellen. I²S en PDM zijn beide tweekanaals interfaces, maar dat is het einde van hun gelijkenissen. Er wordt ook vaak een verband verondersteld of verwarring gezaaid bij het vergelijken van I²S en I²C-protocollen, maar hun namen zijn louter toevallig.

Afbeelding 2: Inter-IC geluidsprotocol (Bron afbeelding: Same Sky)

I²S is een volledig digitaal signaal, in tegenstelling tot PDM, hetgeen betekent dat het niet gecodeerd of gedecodeerd hoeft te worden. Het is een driedraads serieel protocol met een klok-, data- en "word select"-lijn, waarbij de "word select" een rechts of links kanaal aangeeft waar de te verzenden gegevens mee verbonden zijn. Hoewel er geen universeel vereiste datatransmissiesnelheid bestaat, is er wel een minimumsnelheid die afhankelijk is van de verzonden gegevens en de precisie ervan. Als de bemonsteringsfrequentie bijvoorbeeld de industrienorm van 44,1 kHz is met 8 bits nauwkeurigheid, dan heeft een monokanaal een kloksnelheid nodig van ten minste 352,8 kHz. Dit zou het dubbele zijn bij 705,6 kHz voor een stereotoepassing. Elke verandering in nauwkeurigheid zou ook de minimale transmissiebandbreedte veranderen.

Bemonsteringsfrequentie * Gegevensprecisie * Kanaalnummer = Bandbreedte

44.100 Hz * 8 bits * 2 kanalen = 705.600 Hz

Een belangrijk voordeel van I²S is het gebruik van een interne codec via zijn ingebouwde filter. Terwijl PDM een externe codec nodig heeft om de bemonsteringsfrequentie omlaag te brengen, wordt de datasnelheid van het audiosignaal met I²S geleverd op een reeds aanvaardbaar niveau wanneer het bij de DSP aankomt. Dit elimineert extra componenten die nodig zijn voor de verwerking van opgenomen audiogegevens binnen het totale ontwerp, waardoor I²S zeer geschikt is voor toepassingen die geheel op zichzelf staan en waarbij energiezuinige werking op batterijen van belang is. Zonder de noodzaak van extra externe componenten kunnen kostenbesparingen en ruimtebesparing bij compacte ontwerpen, zoals wearables, eveneens belangrijke factoren zijn.

Wanneer men een algemeen systeemontwerp bekijkt, is het belangrijk te weten of er reeds DSP-mogelijkheden aanwezig zijn. Als dat het geval is, is een PDM-apparaat dat gebruik kan maken van de ingebouwde DSP-mogelijkheden van het ontwerp wellicht een betere keuze dan I²S, dat uiteindelijk meer energie en middelen zal verbruiken met zijn drie signaallijnen.

PDM vs. I²S

PDM is een aantrekkelijke optie voor toepassingen waarbij audiokwaliteit een prioriteit is, dankzij de betere bitfouttolerantie en ruisimmuniteit. Anderzijds is I²S een goede keuze wanneer plaatsgebrek of BOM-kosten een probleem vormen, omdat het systeem gemakkelijk te installeren is, een kleinere voetafdruk heeft en geen externe componenten nodig heeft voor de verwerking. I²S kan ook een betere signaalkwaliteit leveren over langere afstanden, waardoor het een betere keuze is dan PDM wanneer microfoon en verwerkingscircuits zich niet zo dicht bij elkaar bevinden op de PCB. Dit gezegd zijnde, is I²S niet specifiek ontworpen voor transmissie over kabels of andere transmissie-apparatuur, dus dit kan niet tot het uiterste worden doorgevoerd, aangezien veel apparatuur niet de juiste impedantie-aanpassing zal hebben. Uiteindelijk zal aanvullend onderzoek naar de eisen van de toepassing, de beschikbare componenten en de verwachte datasnelheden nodig zijn om tot een definitieve beslissing te komen.

Samenvatting

MEMS-microfoons vinden steeds meer toepassingen in een reeks elektronische apparaten en de keuze van een geschikte interface, analoog of digitaal, is van cruciaal belang om in een eindtoepassing de beste resultaten te bereiken. Same Sky beschikt over een uitgebreid assortiment MEMS-microfoons waarmee kan worden voldaan aan een breed scala van audiosysteemvereisten. Naast analoge interface-units zijn diverse PDM en I²S digitale interface-microfoons gemakkelijk verkrijgbaar.