Avaliando Opções em Microfones MEMS: I2S vs. PDM

Descubra as diferenças entre duas interfaces digitais populares em microfones MEMS – modulação de densidade de pulso e som inter-IC.

O que você aprenderá:

• Considerações de projeto para modulação de densidade de pulso (PDM).
• Considerações de projeto para som inter-IC (I ² S).
• Prós e contras de duas interfaces digitais populares em microfones MEMS.

Microfones pequenos e portáteis que podem ser usados ​​em sistemas embarcados estão disponíveis há anos, mas a introdução de microfones MEMS fez seu uso crescer dramaticamente. A combinação de maior demanda e melhor tecnologia criou uma enxurrada de novos aplicativos baseados em voz em quase todos os setores.

Os microfones MEMS, com seu tamanho menor, requisitos de baixa potência e maior imunidade a EMI, também oferecem aos projetistas opções de saída flexíveis para melhorar o desempenho. Analógico ainda é uma opção para microfones MEMS, mas a modulação de densidade de pulso (PDM) e a interface de som inter-IC (I ² S) são protocolos digitais populares que se tornaram padrões de fato para a maioria das aplicações de áudio.

Embora as interfaces PDM e I ² S sejam digitais, a forma como elas transmitem dados digitais é completamente diferente. Essas diferenças têm prós e contras que qualquer pessoa que use os padrões precisa entender para obter a melhor abordagem para sua aplicação. Alguns dos itens mais importantes a serem considerados ao comparar esses dois protocolos são:

• Qualidade de áudio
• Custos da lista de materiais (BOM)
• Restrições de espaço
• Consumo de energia
• Ambiente do aplicativo

O que é Modulação por Densidade de Pulso?

Um sinal modulado por densidade de pulso (PDM) representa um sinal analógico alterando um único bit alto ou baixo por um período de tempo dependendo do nível de tensão do sinal analógico. À medida que o sinal de tensão analógico aumenta, a porcentagem do sinal digital que é alta também aumenta (Fig. 1) .

Por outro lado, tensões mais baixas são representadas com menos bits altos. Isso cria um sinal composto de componentes digitais, mas ainda está diretamente relacionado ao sinal analógico. Já para representar um sinal analógico com bits digitais, os pulsos devem ter uma frequência muito maior que o sinal original, geralmente superior a 3 MHz.

Embora o sinal PDM possa ser visualmente associado ao original analógico, a versão PDM é muito melhor em ignorar a interferência elétrica, pois cada bit de informação é um ou zero distinto. Esse mesmo recurso permite que o PDM trabalhe com degradação de sinal com diminuição menos perceptível na qualidade.

No entanto, exige mais dos cabos e componentes eletrônicos envolvidos devido ao aumento do efeito da capacitância nos sinais de alta frequência. Além disso, embora possam parecer semelhantes aos sinais de origem, o protocolo PDM requer processamento adicional por um processador de sinal digital ou microcontrolador para diminuir a amostragem ou dizimar o sinal para uma taxa de amostragem menor antes que seja útil para outros dispositivos.

Como o conceito geral é tão simples, os dispositivos baseados em PDM requerem apenas dois sinais e geralmente consomem menos energia, são menores e mais baratos. Mas o processamento adicional pode tornar esses benefícios discutíveis se mais circuitos forem necessários.

O que é Som Inter-IC (I²S)?

O outro protocolo de áudio digital popular, I ² S, existe desde a década de 1980. Apesar de sua semelhança de estilo com o I ² C, um popular protocolo de transferência de dados, o I ² S não tem nenhuma relação com ele. O I ² S agora é amplamente usado em microfones porque a saída pode ser usada mais imediatamente pela maioria dos dispositivos externos em comparação com o PDM. De fato, além do fato de que PDM e I ² S são interfaces de canal duplo, eles são completamente diferentes.

I ² S se parece com um protocolo de transferência de dados padrão com três linhas diferentes: uma linha de clock, data e word select (Fig. 2) . “Word Select” indica de qual canal, como esquerdo ou direito, o áudio é transmitido. Não há velocidade de clock universal para I ² S. Portanto, para enviar dados a uma taxa que acompanhe um fluxo de áudio ao vivo, alguns cálculos são necessários.

O padrão da indústria para amostragem de áudio é 44,1 kHz. Portanto, se assumirmos 16 bits de precisão e um canal mono, a velocidade do clock precisaria ser de pelo menos 705,6 kHz. Se se tornar um canal estéreo, duplique para aproximadamente 1,42 MHz para encontrar a velocidade de clock mínima:

Frequência de amostra × precisão de dados × número do canal = largura de banda necessária

44.100 Hz × 16 bits × 2 canais = largura de banda de 1.411.200 Hz

O I ² S usa um codec interno e um filtro embutido, o que significa que o sinal pode ser usado imediatamente por um processador de sinal digital. Portanto, embora os componentes que usam I ² S tendam a ser um pouco maiores do que seus equivalentes PDM, eles não exigem que os componentes adicionais sejam processados. Como resultado, mesmo que os componentes individuais de um sistema PDM possam ser menores e mais baratos, em geral, o I ² S tende a ser a opção menor quando todos os componentes auxiliares são considerados.

Adequação para diferentes casos de uso

Comparativamente, o PDM tem melhor imunidade a ruídos e tolerância a erros de bits e, portanto, é preferível quando a qualidade do áudio é importante, principalmente ao antecipar um ambiente cheio de radiação eletromagnética externa. O I ² S é mais simples de implementar e, na maioria dos casos, é mais barato e ocupa menos espaço. Por sua vez, é ideal para aplicações em que tamanho ou custo são fatores determinantes.

Em casos extremos, a frequência mais baixa do sinal I ² S o torna uma opção melhor para transmissões de longa distância, como quando o microfone e o processador estão em lados diferentes de um estúdio de gravação ou centro de artes cênicas. Caso sejam necessárias transmissões de longa distância, será necessária uma revisão aprofundada, bem como testes com o cabeamento que provavelmente será utilizado.

Por fim, é importante observar se há recursos de DSP em um projeto. Nesse caso, as três linhas de sinal do dispositivo I ² S e o maior consumo de energia podem torná-lo mais intensivo em recursos do que os dispositivos PDM que podem aproveitar os recursos DSP já existentes no PCB.

Com a proliferação de microfones MEMS em aplicativos baseados em voz, bem como a crescente demanda por áudio de alta qualidade para música e outras gravações de áudio, esses diferentes protocolos se tornaram mais importantes. Considerar essas opções e pesar as vantagens e desvantagens de cada solução permitirá que os projetistas decidam qual tecnologia funcionará melhor para o projeto em mente.