A MEMS mikrofonokhoz használt PDM és I²S digitális kimenőjel-formátum összehasonlítása

Mikrofonokat már évek óta használnak a beágyazott rendszerekben. Megjelenésük óta azonban a MEMS mikrofonok piaci felhasználása a hangtechnikai eszközök egyre szélesebb körének köszönhetően gyorsan tovább nőtt az otthoni és az autóipari berendezésekben és a viselhető eszközökben. A MEMS mikrofonok nemcsak a jelentősen csökkentett alapterület, a kis fogyasztás és a jobb elektromágneses zajvédelem előnyeit kínálják, hanem a sokféle kimenőjel révén nagyobb tervezési rugalmasságot is. A mérnököt továbbra is használhatják az analóg kimenőjelű MEMS (micro-electromechanical systems, mikro-elektromechanikus) mikrofonokat csakúgy, mint a digitális kimenőjelűeket, például a PDM (pulse densitiy modulated, impulzussűrűség-modulált) és az I²S (inter-IC sound, integrált áramkörök közötti hangátviteli) digitális kimenőjel-formátummal rendelkezőket.

Ez a cikk ezt a két kimenőjel-formátumot tárgyalja részletesebben, felvázolva a rendszertervezés során figyelembe veendő egyedi jellemzőiket és előnyeiket, valamint hátrányaikat. Hogy a mérnök végül melyiket választja, az a két technika vizsgálatán és annak megértésén múlik, hogy a két digitális kimenőjel-formátum közül melyik elégíti ki jobban az adott felhasználási terület által támasztott igényeket. Több kulcsfontosságú szempontot is figyelembe kell venni:

• Hangminőség
• Fogyasztás
• Anyagköltség
• Az eszköz méretbeli kötöttségei
• A hardver működési környezete

Az impulzussűrűség-moduláció (PDM) áttekintése

Ezt a digitális kimenőjel-formátumot az analóg jel feszültségének egybites impulzussűrűséggel modulált digitális adatfolyammá történő átalakítására használják. A PDM-jelek jobban hasonlítanak egy hosszanti (longitudinális) hullámhoz, mint a hangban látható jellegzetes keresztirányú (transzverzális) hullámokhoz. Mindazonáltal a PDM-jelek az analóg jelet ábrázolják digitális formában.

1. ábra: A PDM protokoll (kép: Same Sky)

A fenti 1. ábrán látható, hogy az analóg jel amplitúdójának növekedésével nő a magas (1-es) bitek sűrűsége. Ezzel szemben amikor az analóg jel amplitúdójának alsó tartományát ábrázolja, a digitális jel hosszabb időn át marad alacsony (0) értéken. Ez egy olyan jelet hoz létre, amely a digitális jel számos előnyét kínálja, miközben közvetlenül megfelel az analóg jelnek. Ennek elérése érdekében a PDM-jellé alakításhoz nagyobb, 3 MHz feletti mintavételi frekvenciára van szükség, mert a digitális impulzusoknak sokkal gyakoribbaknak kell lenniük, mint az ábrázolt analóg jel frekvenciája.

A PDM-jelek digitális jellege az analóg jelekhez képest jelentősen nagyobb ellenálló képességet biztosít a villamosan zajos környezetekkel szemben. A PDM-jel a jelromlások elleni védelemként megnövelt bithibatűréssel is rendelkezik. A jel nagyfrekvenciás jellege azonban távolsági korlátokhoz vezet, ugyanis a hosszabb átviteli vezetékek megnövekedett kapacitása nem kívánt csillapítást és ennek következtében a hangminőség romlását okozhatja. A PDM-jeleket ezenkívül még fel is kell dolgozni. Ezt egy külső digitális jelfeldolgozó (DSP) vagy mikrovezérlő végzi, amely megfelelő kodekkel „megtizedeli”, azaz alacsonyabb mintavételi frekvenciára ülteti át a PDM-jelet egy aluláteresztő szűrőn keresztül, és így használhatóvá teszi más eszközök számára. Az elv egyszerűsége azt jelenti, hogy a PDM-eszközöknek csak két jelre van szükségük, ami általánosságban olcsóbbá teszi őket, kisebb fogyasztás és kis alapterület mellett. Ezek az előnyök a PDM-eszközből érkező jel feldolgozásához szükséges további áramkörök árán valósulnak meg.

Az integrált áramkörök közti hangátvitel (I²S) áttekintése

Az I²S egy másik népszerű digitális kimenőjel-formátum, amely eredetileg az 1980-as évek közepén jelent meg, és csak nemrég kezdték el mikrofonokhoz és más kis méretű eszközökhöz is használni. Az I²S és a PDM egyaránt kétcsatornás protokoll, de ezzel a hasonlóságuk véget is ér. Az I²S jelformátum és az I²C protokoll összehasonlításakor is gyakran feltételezik, hogy kapcsolat van köztük, illetve egyeseket összezavar a két név hasonlósága, de a nevek pusztán véletlenül hasonlóak.

2. ábra: Az I²S digitális kimenőjel-formátum (kép: Same Sky)

Az I²S a PDM-mel ellentétben teljesen digitális jel, ami azt jelenti, hogy nem igényel sem kódolást, sem dekódolást. Ez egy háromvezetékes soros protokollal van megvalósítva, amelynek egy órajel-, egy adat- és egy „szóválasztó” vonala van, és ahol a „szóválasztó” azt jelzi, hogy az átvitt adatok a jobb vagy a bal csatornához tartoznak-e. Bár nincs általánosan előírt adatátviteli sebesség, van egy minimális sebesség, amely a továbbított adatoktól és azok pontosságától függ. Ha például a hangjel mintavételi frekvenciája az ágazati szabvány szerinti 44,1 kHz 8 bites pontossággal, akkor egy monó csatornának legalább 352,8 kHz-es órajelre van szüksége. Egy sztereó készülék esetében ez ennek a kétszerese, 705,6 kHz lenne. A pontosság bármilyen változása szintén megváltoztatná a minimális átviteli sávszélességet.

Mintavételi frekvencia * adatpontosság * csatornaszám = sávszélesség

44,100 Hz * 8 bit * 2 csatorna = 705 600 Hz

Az I²S fő előnye, hogy beépített szűrője révén belső kodeket használ. Míg a PDM külső kodeket igényel a mintavételi frekvencia csökkentéséhez, addig az I²S esetében a hangjel adatátviteli sebessége már akkor elfogadható szinten van, amikor a digitális jelfeldolgozóhoz (DSP) érkezik. Ez szükségtelenné teszi az általános kialakításon belül a rögzített hangadatok feldolgozásához szükséges kiegészítő részegységeket, így az I²S jól használható a teljesen önálló készülékekhez, ahol az energiatakarékos akkumulátoros működés is fontos szempont. A kis méretű, például viselhető eszközöknél szintén kulcsfontosságú tényező lehet a külső kiegészítő részegységek nélküli költségmegtakarítás és a helytakarékosság.

A teljes rendszer tervezése során fontos utánanézni annak, hogy vannak-e már kész digitális jelfeldolgozási képességek. Ha igen, akkor egy a készülék beépített digitális jelfeldolgozó képességeit kihasználni képes PDM-eszköz jobb választás lehet, mint az I²S formátumot használó, amely a három jelvonallal több energiát és erőforrást fogyaszt.

PDM vagy I²S?

A PDM a jobb bithibatűrés és a zajvédelem miatt vonzó lehetőséget kínál olyan felhasználási területekre, ahol a hangminőség élvez elsőbbséget. Másrészt viszont az I²S megbízható választás akkor, ha a helyszűke vagy az anyagköltségek jelentenek gondot, mert könnyen beépíthető, kisebb a helyigénye, és nincs szükség külső részegységekre a jelfeldolgozáshoz. Az I²S nagyobb távolságra is jobb minőségű jeltovábbítást tesz lehetővé, így jobb választás a PDM jelformátumhoz képest, ha a mikrofon és a feldolgozó áramkör nincs igazán közel egymáshoz a nyomtatott áramköri (nyák) lapon. Ezzel együtt az I²S jelformátumot nem kifejezetten kábelen vagy más adatátviteli eszközökön keresztül történő jelátvitelre tervezték, így nem szabad körültekintés nélkül használni, mert sok eszközben nincs megfelelő impedanciaillesztés. Mindent figyelembe véve a végleges döntéshez további kutatásokra lesz szükség azt illetően, hogy mik a készülék igényei, melyek a rendelkezésre álló részegységek, és mekkora lesz a várható adatátviteli sebesség.

Összegzés

A MEMS mikrofonokat egyre többféle elektronikus eszközben használják, és a megfelelő – akár analóg, akár digitális – kimenőjel-formátum kiválasztása döntő fontosságú ahhoz, hogy a megalkotott készülékkel a legjobb eredményeket lehessen elérni. A Same Sky a MEMS mikrofonok széles választékát kínálja, amelyek a hangrendszerek által támasztott sokféle követelmény kielégítését teszik lehetővé. Az analóg kimenőjel-formátumok mellett különböző PDM és I²S digitális kimenőjel-formátumot használó mikrofonok is készen kaphatóak.