MEMS-mikrofonien digitaalisten PDM- ja I²S-rajapintojen vertailu

Mikrofoneja on käytetty sulautetuissa järjestelmissä jo vuosia. MEMS-mikrofonien markkinaosuus on kuitenkin kasvanut nopeasti niiden markkinoilletuonnista lähtien, koska äänipohjaisten sovellusten valikoima jatkaa laajenemistaan niin kodissa, autoteollisuudessa kuin puettavissa laitteissakin. MEMS-mikrofonit tarvitsevat huomattavasti vähemmän tilaa, niiden tehovaatimukset ovat alhaiset ja niiden sähköinen häiriönsietokyky on hyvä. Lisäksi niiden lukuisat lähtövaihtoehdot lisäävät joustavuutta suunnitteluun. Analogisilla lähdöillä varustetut MEMS-mikrofonit ovat edelleen vaihtoehto insinööreille, samoin kuin digitaaliset lähdöt, kuten pulssitiheysmodulaatio (PDM) ja inter-IC-ääni (I²S).

Tässä artikkelissa käsitellään näitä kahta digitaalista rajapintaa yksityiskohtaisemmin ja esitellään niiden tyyppikohtaisia ominaisuuksia sekä etuja ja haittoja järjestelmäsuunnittelun kannalta. Valitakseen näistä kahdesta tekniikasta sopivan suunnittelijan on tutustuttava niihin ja ymmärrettävä mikä protokolla soveltuu mihinkin sovellusolosuhteisiin. Huomioon on otettava useita keskeisiä näkökohtia:

• äänenlaatu
• virrankulutus
• osaluettelon synnyttämät kustannukset
• ratkaisun tilarajoitteet
• laitteiston toimintaympäristö.

Yleiskatsaus pulssitiheysmodulaatioon (PDM)

PDM-signaaleja käytetään analogisen signaalijännitteen muuntamiseen yksibittiseksi pulssitiheysmoduloiduksi digitaalivirraksi. Ne muistuttavat enemmän pitkittäisaaltoa kuin audioalueella tyypillistä poikittaisaaltoa. Ne esittävät kuitenkin analogista signaalia digitaalisesti.

Kuva 1: PDM-protokolla (kuvan lähde: Same Sky)

Yllä oleva kuva 1 näyttää, miten HIGH-bittien tiheys kasvaa analogisen signaalin amplitudin kasvaessa. Vastaavasti digitaalinen signaali pysyy LOW-arvossa pidempään, kun se vastaa analogisen signaalin amplitudin alapäätä. Tämä luo signaalin, joka tarjoaa monia digitaalisen signaalin etuja, mutta on silti suoraan verrannollinen analogiseen signaaliin. Tämän saavuttamiseksi PDM-signaalit vaativat korkeaa yli 3 MHz:n näytteenottotaajuutta, koska digitaalisia pulsseja tarvitaan paljon tiheämmin kuin vastaavan analogisen signaalin oskillaatio.

PDM-signaalin digitaalinen luonne tarjoaa sille analogisiin signaaleihin verrattuna huomattavasti paremman häiriönsietokyvyn sähköisesti meluisissa ympäristöissä. Se myös kestää paremmin bittivirheitä, jos signaali heikkenee. Signaalin korkea taajuus rajoittaa kuitenkin etäisyyttä, koska pidempien siirtojohtojen kapasitanssi on korkeampi. Tämä voi aiheuttaa ei-toivottua vaimennusta ja siten äänenlaadun heikkenemistä. PDM-signaalit vaativat myös lisäkäsittelyä ulkoisella DSP:llä tai mikrokontrollerilla sopivalla koodekilla PDM-signaalin desimointiin eli näytteenottotaajuuden alentamiseen ajamalla se alipäästösuodattimen läpi. Näin signaalia voidaan käyttää myös muissa laitteissa. Menetelmän yksinkertaisuus tarkoittaa, että PDM-laitteet tarvitsevat vain kaksi signaalia, mikä tekee niistä tavallisesti edullisempia pienemmän virrankulutuksen ja kompaktin koon ansiosta. Toisaalta PDM-laitteesta tulevan signaalin käsittelyyn tarvitaan ylimääräisiä piirejä.

I²S (Inter-IC Sound) -tekniikan yleiskatsaus

I²S on toinen suosittu digitaalinen rajapintavaihtoehto, joka tuli markkinoille alun perin 1980-luvun puolivälissä ja joka on vasta viime aikoina löytänyt tiensä mikrofoneihin ja muihin pieniin laitteisiin. I²S ja PDM ovat molemmat kaksikanavaisia rajapintoja, mutta niiden yhtäläisyydet loppuvatkin siihen. I²S- ja I²C-protokollien välillä oletetaan olevan yhteys tai ne sekoitetaan usein toisiinsa, mutta nimien samankaltaisuus on puhdas sattuma.

Kuva 2: I²S-protokolla (kuvalähde: Same Sky)

I²S on täysin digitaalinen signaali, toisin kuin PDM, eli se ei vaadi koodausta eikä dekoodausta. Se on kolmijohtoinen sarjaprotokolla, joka sisältää kello-, data- ja ”word select” -johtimet. ”Word select” ilmaisee kuuluuko lähetettävä data oikeaan tai vasempaan kanavaan. Vaikka mitään yleistä tiedonsiirtonopeutta ei vaadita, vähimmäisnopeus riippuu siirrettävästä datasta ja sen tarkkuudesta. Jos esimerkiksi äänen näytteenottotaajuus on alan standardi 44,1 kHz ja tarkkuus on 8 bittiä, monokanavan kellonopeuden täytyy olla vähintään 352,8 kHz. Stereosovellus vaatii kaksinkertaisen taajuuden 705,6 kHz. Tarkkuuden muutos muuttaa myös pienintä tarvittavaa siirtokaistanleveyttä.

Näytteenottotaajuus * datan tarkkuus * kanavien lukumäärä = kaistanleveys

44 100 Hz * 8 bittiä * 2 kanavaa = 705 600 Hz

I²S-signaalin tärkein etu on sisäisen koodekin käyttö sisäänrakennetussa suodattimessa. PDM-signaali vaatii ulkoisen koodekin näytteenottotaajuuden alentamiseksi, kun taas I²S-audiosignaalin datanopeus on jo DSP:hen saapuessaan riittävällä tasolla. I²S-kokonaisratkaisu ei vaadi lisäkomponentteja vastaanotettavan äänidatan käsittelyyn ja näin se sopii hyvin täysin itsenäisiin sovelluksiin, joissa akkukäyttöisyys edellyttää energiatehokkuutta. Koska ulkoisia lisäkomponentteja ei tarvita, kustannus- ja tilasäästöt voivat myös olla ratkaisevia tekijöitä kompakteissa ratkaisuissa, kuten puettavissa laitteissa.

Koko järjestelmärakennetta tarkasteltaessa on tärkeää huomioida sisältääkö se jo DSP-tuen. Jos näin on, ratkaisun tarjoamaa DSP-tukea käyttävä PDM-komponentti saattaa olla parempi valinta kuin I²S, joka loppujen lopuksi kuluttaa enemmän virtaa ja resursseja kolmen signaalijohtimen vuoksi.

PDM versus I²S

PDM on paremman bittivirhetoleranssin ja häiriönsietokyvyn ansiosta houkutteleva vaihtoehto sovelluksiin, joissa äänenlaatu on tärkeintä. I²S on puolestaan luotettava valinta, kun tilaa on rajallisesti tai BOM-osaluettelokustannukset on minimoitava. Se on helppo asentaa, se vaatii vähemmän tilaa eikä sen käsittelyyn tarvita ulkoisia komponentteja. I²S-signaalin laatu voi myös olla parempi pidemmillä etäisyyksillä. Tämä tekee siitä paremman vaihtoehdon kuin PDM, jos mikrofoni ja prosessointipiirit eivät sijaitse piirilevyllä kovin lähellä toisiaan. I²S-protokollaa ei kuitenkaan ole nimenomaisesti suunniteltu kaapeleiden tai muiden siirtomenetelmien välityksellä tapahtuvaan siirtoon, joten tätä ei voida hyödyntää täysin määrin, koska monissa laitteissa ei ole sopivaa impedanssisovitusta. Lopullisten päätöksien teossa täytyy tutkia sovelluksen vaatimuksia, saatavana olevia komponentteja ja vaadittavia tiedonsiirtonopeuksia.

Yhteenveto

MEMS-mikrofoneja käytetään erilaisissa elektroniikkalaitteissa yhä enemmän. Siksi sopivan rajapinnan valinta, olipa se sitten analoginen tai digitaalinen, on ratkaisevan tärkeää, jotta loppusovelluksessa saavutetaan parhaat mahdolliset tulokset. Same Sky tarjoaa laajan valikoiman MEMS-mikrofoneja, joiden avulla voidaan vastata monenlaisiin äänijärjestelmävaatimuksiin. Analogista rajapintaa käyttävien yksiköiden lisäksi saatavilla on erilaisia digitaalista PDM- ja I²S-rajapintaa käyttäviä mikrofoneja.