การเปรียบเทียบอินเทอร์เฟซ Digital PDM และI²Sในไมโครโฟน MEMS

ไมโครโฟน ถูกนำมาใช้ในระบบสมองกลฝังตัวมาหลายปีแล้ว อย่างไรก็ตาม ตั้งแต่เริ่มก่อตั้ง ไมโครโฟน MEMS ได้เห็นการใช้งานในตลาดของพวกเขาเติบโตขึ้นอย่างรวดเร็ว เนื่องจากมีการใช้งานที่ใช้เสียงในบ้าน ในรถยนต์ และอุปกรณ์ที่สวมใส่ได้เพิ่มมากขึ้น ไมโครโฟน MEMS ไม่เพียงแต่ให้ประโยชน์ของรอยเท้าที่ลดลงอย่างมาก ความต้องการพลังงานต่ำ และการป้องกันสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าที่ดีขึ้นเท่านั้น แต่ยังให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบที่มากขึ้นด้วยตัวเลือกเอาต์พุตจำนวนมาก ไมโครโฟน MEMS แบบเอาท์พุตแบบอะนาล็อกยังคงเป็นตัวเลือกสำหรับวิศวกร เช่นเดียวกับเอาต์พุตดิจิตอล เช่น การมอดูเลตความหนาแน่นพัลส์ (PDM) และเสียงระหว่างไอซี (I²S)

บทความนี้จะกล่าวถึงอินเทอร์เฟซดิจิทัลทั้งสองนี้โดยละเอียดยิ่งขึ้น โดยสรุปคุณลักษณะเฉพาะ ตลอดจนข้อดีและข้อเสียในการออกแบบระบบ วิศวกรคนใดจะเลือกมาเพื่อทดสอบเทคโนโลยีทั้งสองและทำความเข้าใจว่าแต่ละโปรโตคอลจะเหมาะสมกว่าสำหรับเงื่อนไขการใช้งานเฉพาะอย่างไร ข้อควรพิจารณาที่สำคัญหลายประการที่จะนำมาพิจารณา ได้แก่ :

• คุณภาพเสียง
• การใช้พลังงาน
• ต้นทุนรายการวัสดุ (BOM)
• ข้อจำกัดด้านพื้นที่ของการออกแบบ
• สภาพแวดล้อมการทำงานของฮาร์ดแวร์

ภาพรวมการปรับความหนาแน่นพัลส์ (PDM)

ใช้เพื่อแปลงแรงดันสัญญาณอนาล็อกให้เป็นกระแสดิจิตอลที่มอดูเลตความหนาแน่นพัลส์บิตเดียว สัญญาณ PDM นั้นคล้ายกับคลื่นตามยาวมากกว่าคลื่นตามขวางทั่วไปที่เห็นในเสียง อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้เป็นตัวแทนดิจิทัลของสัญญาณอนาล็อก

รูปที่ 1: โปรโตคอล PDM (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

รูปที่ 1 ด้านบนแสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของบิตสูงเพิ่มขึ้นอย่างไรเมื่อแอมพลิจูดของสัญญาณอนาล็อกเพิ่มขึ้น เป็นผลให้สัญญาณดิจิตอลยังคงอยู่ที่ค่าต่ำเป็นระยะเวลานานเมื่อเป็นตัวแทนของปลายล่างของแอมพลิจูดสัญญาณอนาล็อก สิ่งนี้สร้างสัญญาณที่ให้ประโยชน์มากมายของสัญญาณดิจิตอลในขณะที่ยังคงมีความสัมพันธ์โดยตรงกับสัญญาณอนาล็อก เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ สัญญาณ PDM ต้องการอัตราการสุ่มตัวอย่างที่สูงกว่า ซึ่งสูงกว่า 3 MHz เนื่องจากพัลส์ดิจิทัลต้องเกิดขึ้นบ่อยกว่าการสั่นของสัญญาณอนาล็อกที่แสดง

ลักษณะดิจิทัลของ PDM ช่วยให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า เมื่อเทียบกับสัญญาณอนาล็อก นอกจากนี้ยังเพิ่มความทนทานต่อข้อผิดพลาดของบิตเมื่อสัญญาณเสื่อมลง อย่างไรก็ตาม ลักษณะความถี่สูงของสัญญาณนำไปสู่ข้อจำกัดด้านระยะทางเนื่องจากความจุที่เพิ่มขึ้นในสายส่งที่ยาวขึ้นซึ่งอาจทำให้เกิดการลดทอนที่ไม่ต้องการและทำให้คุณภาพเสียงลดลง สัญญาณ PDM ยังต้องการการประมวลผลเพิ่มเติมโดย DSP ภายนอกหรือไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีตัวแปลงสัญญาณที่เหมาะสมในการทำลายหรือลดตัวอย่างสัญญาณ PDM ไปยังอัตราการสุ่มตัวอย่างที่ต่ำกว่าโดยเรียกใช้ผ่านตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน ซึ่งทำให้สามารถใช้กับอุปกรณ์อื่น ๆ ได้ ความเรียบง่ายของแนวคิดนี้หมายความว่าอุปกรณ์ PDM ต้องการเพียงสองสัญญาณ ทำให้โดยทั่วไปมีราคาถูกกว่าด้วยการใช้พลังงานที่ต่ำกว่าและมีขนาดเล็ก ข้อดีเหล่านี้ต้องเสียค่าวงจรเพิ่มเติมเพื่อประมวลผลสัญญาณที่มาจากอุปกรณ์ PDM

ภาพรวมเสียงอินเตอร์ไอซี (I²S)

I²S เป็นอีกหนึ่งตัวเลือกอินเทอร์เฟซดิจิทัลยอดนิยมที่ปรากฏขึ้นในช่วงกลางทศวรรษ 1980 และเพิ่งค้นพบวิธีการนี้ในไมโครโฟนและอุปกรณ์ขนาดเล็กอื่นๆ I²S และ PDM เป็นอินเทอร์เฟซแบบดูอัลแชนเนลทั้งคู่ แต่นั่นคือจุดสิ้นสุดของความคล้ายคลึงกัน มักจะมีความสัมพันธ์ที่สมมติขึ้นหรือความสับสนเมื่อเปรียบเทียบ I²S และ I² โปรโตคอล C แต่ชื่อของพวกเขาเป็นเรื่องบังเอิญล้วน ๆ

รูปที่ 2: โปรโตคอลเสียง Inter-IC (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์ CUI)

I²S เป็นสัญญาณดิจิตอลทั้งหมด ซึ่งแตกต่างจาก PDM ซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องเข้ารหัสหรือถอดรหัส เป็นโปรโตคอลอนุกรมแบบสามสายที่มีนาฬิกา ข้อมูล และบรรทัด "เลือกคำ" โดย "เลือกคำ" ระบุช่องทางขวาหรือซ้ายที่มีการเชื่อมโยงข้อมูล แม้ว่าจะไม่มีความเร็วในการรับส่งข้อมูลในระดับสากล แต่ก็มีความเร็วต่ำสุดที่ขึ้นอยู่กับข้อมูลที่ส่งและความแม่นยำของข้อมูล ตัวอย่างเช่น หากอัตราการสุ่มตัวอย่างเสียงเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมที่ 44.1 kHz ที่มีความแม่นยำ 8 บิต ดังนั้นช่องสัญญาณโมโนจะต้องใช้ความเร็วสัญญาณนาฬิกาอย่างน้อย 352.8 kHz นี่จะเป็นสองเท่าที่ 705.6 kHz สำหรับแอปพลิเคชันสเตอริโอ การเปลี่ยนแปลงความแม่นยำก็จะเปลี่ยนแบนด์วิดธ์การส่งข้อมูลขั้นต่ำเช่นกัน

ความถี่ตัวอย่าง * ความแม่นยำของข้อมูล * หมายเลขช่องสัญญาณ = แบนด์วิดท์

44,100 Hz * 8 บิต * 2 ช่อง = 705,600 Hz

ประโยชน์หลักของ I²S คือการใช้ตัวแปลงสัญญาณภายในผ่านตัวกรองในตัว ในขณะที่ PDM ต้องใช้ตัวแปลงสัญญาณภายนอกเพื่อลดอัตราการสุ่มตัวอย่าง อัตราข้อมูลของสัญญาณเสียงที่มี I²S จะถูกส่งไปที่ระดับที่ยอมรับได้อยู่แล้วเมื่อมาถึง DSP ซึ่งจะช่วยขจัดส่วนประกอบเพิ่มเติมที่จำเป็นสำหรับการประมวลผลข้อมูลเสียงที่บันทึกภายในการออกแบบโดยรวม ทำให้ I²S เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานแบบมีอุปกรณ์ครบครันในตัวเอง และการทำงานที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพเป็นเรื่องที่ต้องกังวล โดยไม่ต้องใช้ส่วนประกอบภายนอกเพิ่มเติม การประหยัดต้นทุนและประหยัดพื้นที่ในดีไซน์กะทัดรัด เช่น อุปกรณ์สวมใส่ ก็เป็นปัจจัยสำคัญเช่นกัน

เมื่อพิจารณาถึงการออกแบบระบบโดยรวม สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าความสามารถของ DSP มีอยู่แล้วหรือไม่ ถ้าเป็นเช่นนั้น อุปกรณ์ PDM ที่สามารถใช้ความสามารถ DSP ในตัวของการออกแบบอาจเป็นทางเลือกที่ดีกว่า I²S ซึ่งจะใช้พลังงานและทรัพยากรมากขึ้นในที่สุดด้วยสายสัญญาณสามเส้น

PDM กับ I²S

PDM เสนอตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการใช้งานที่คุณภาพเสียงเป็นสิ่งที่สำคัญ เนื่องจากมีความทนทานต่อข้อผิดพลาดบิตและการป้องกันสัญญาณรบกวนที่ดีกว่า ในทางกลับกัน I²S เป็นตัวเลือกที่ดีซึ่งข้อ จำกัด ด้านพื้นที่หรือต้นทุน BOM เป็นข้อกังวลเนื่องจากความง่ายในการติดตั้ง พื้นที่ขนาดเล็กกว่า และไม่จำเป็นต้องใช้ส่วนประกอบภายนอกสำหรับการประมวลผล I²S ยังให้คุณภาพสัญญาณที่ดียิ่งขึ้นในระยะทางไกล ทำให้เป็นทางเลือกที่ดีกว่า PDM เมื่อไมโครโฟนและวงจรประมวลผลไม่ได้อยู่ใกล้กันบน PCB จากที่กล่าวมา I²S ไม่ได้ออกแบบมาเฉพาะสำหรับการส่งสัญญาณผ่านสายเคเบิลหรืออุปกรณ์ส่งสัญญาณอื่น ๆ ดังนั้นจึงไม่สามารถดำเนินการได้อย่างเต็มที่เนื่องจากอุปกรณ์จำนวนมากจะไม่มีการจับคู่อิมพีแดนซ์ที่เหมาะสม ในตอนท้ายของวัน จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับความต้องการของแอปพลิเคชัน ส่วนประกอบที่มีอยู่ และอัตราข้อมูลที่คาดหวัง เพื่อทำการตัดสินใจขั้นสุดท้าย

บทสรุป

ไมโครโฟน MEMS ยังคงพบการใช้งานเพิ่มเติมในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลากหลายประเภท และการเลือกอินเทอร์เฟซที่เหมาะสม ไม่ว่าจะเป็นอนาล็อกหรือดิจิทัล เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการบรรลุผลลัพธ์ที่ดีที่สุดในการใช้งานขั้นสุดท้าย Same Sky มีพอร์ตโฟลิโอที่กว้างขวางของ ไมโครโฟน MEMS ที่ช่วยให้สามารถแก้ไขข้อกำหนดของระบบเสียงที่หลากหลายได้ นอกจาก หน่วยอินเทอร์เฟซแบบอนาล็อก PDM ที่หลากหลายและ I²S ยังมีไมโครโฟนอินเทอร์เฟซแบบดิจิตอลที่พร้อมใช้ด้วย