Uma comparação das interfaces digitais PDM e I²S em microfones MEMS

Os microfones têm sido utilizados em sistemas embarcados há muitos anos. No entanto, desde o início, os microfones MEMS viram rapidamente o seu uso no mercado continuar a crescer devido à gama cada vez maior de aplicações baseadas em voz em casa, automóveis e vestíveis. Os microfones MEMS não só oferecem os benefícios de uma redução significativa de pegadas, requisitos de baixo consumo de energia e maior imunidade a ruídos elétricos, mas também maior flexibilidade de projeto com uma série de opções de saída. Os microfones MEMS de saída analógica ainda são uma opção para engenheiros, assim como as saídas digitais como a modulação por densidade de pulso (PDM) e o I²S (inter-IC sound).

Este artigo discutirá estas duas interfaces digitais com mais detalhes, delineando suas características únicas, bem como suas vantagens e desvantagens quando se trata de projeto de sistemas. Qual deles um engenheiro escolherá para examinar as duas tecnologias e entender como cada protocolo pode ser mais adequado para condições específicas de aplicação. Várias considerações principais que serão levadas em conta incluem:

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

Visão geral da modulação por densidade de pulso (PDM)

Usado para converter uma tensão de sinal analógico em um fluxo digital modulado por densidade de pulso de bit único, os sinais PDM se assemelham mais a uma onda longitudinal do que a onda transversal típica vista no áudio. Entretanto, eles são uma representação digital de um sinal analógico.

Figura 1: Protocolo PDM (Fonte da imagem: Same Sky)

A figura 1 acima mostra como a densidade aumenta dos bits de nível alto à medida que a amplitude do sinal analógico aumenta. Como resultado, o sinal digital permanece em seu valor baixo por períodos mais longos quando representa a extremidade inferior da amplitude do sinal analógico. Isto cria um sinal que oferece muitos benefícios de um sinal digital enquanto ainda está diretamente correlacionado com o sinal analógico. Para conseguir isto, os sinais PDM requerem taxas de amostragem mais altas, acima de 3 MHz, porque os pulsos digitais devem ocorrer com muito mais frequência do que a oscilação do sinal analógico representado.

A natureza digital do PDM lhe confere uma resiliência significativamente maior a ambientes eletricamente ruidosos em comparação com os sinais analógicos. Também aumentou a tolerância ao erro de bit quando ocorre a degradação do sinal. Entretanto, a natureza de alta frequência do sinal leva a restrições de distância devido ao aumento da capacidade em linhas de transmissão mais longas potencialmente causando uma atenuação indesejada e uma queda resultante na qualidade de áudio. Os sinais PDM também precisam de processamento adicional por um DSP externo ou microcontrolador com um codec apropriado para dizimar, ou diminuir, o sinal PDM para uma taxa de amostragem mais baixa, fazendo-o passar por um filtro passa-baixa, tornando-o assim utilizável para outros dispositivos. A simplicidade de seu conceito significa que os dispositivos PDM precisam apenas de dois sinais, tornando-os geralmente menos caros com menor consumo de energia e pegadas compactas. Estas vantagens vêm com o custo de circuitos adicionais para processar o sinal proveniente do dispositivo PDM.

Visão geral do I²S (Inter-IC sound)

I²S é outra opção popular de interface digital que surgiu originalmente em meados dos anos 80 e só recentemente encontrou seu caminho para os microfones e outros pequenos dispositivos. I²S e PDM são ambas interfaces de canal duplo, mas isso é o fim de suas semelhanças. Também há frequentemente uma relação presumida ou confusão ao comparar os protocolos I²S e I²C, mas seus nomes são puramente coincidentes.

Figura 2: Protocolo inter-IC sound (Fonte da imagem: Same Sky)

I²S é um sinal inteiramente digital, ao contrário do PDM, o que significa que não requer codificação ou decodificação. É um protocolo serial de três fios com um clock, dados e linha "word select" ou WS, com WS indicando um canal à direita ou à esquerda onde os dados que estão sendo transmitidos estão associados. Embora não haja uma velocidade de transmissão de dados universalmente exigida, há uma velocidade mínima que depende dos dados transmitidos e de sua precisão. Por exemplo, se a taxa de amostragem de áudio for o padrão industrial de 44,1 kHz com 8 bits de precisão, então um canal mono precisará de uma velocidade de clock de pelo menos 352,8 kHz. Isto seria o dobro a 705,6 kHz para uma aplicação estéreo. Qualquer mudança na precisão também mudaria a largura de banda mínima de transmissão.

Frequência de amostragem * Precisão dos dados * Número de canais = Largura de banda

44.100 Hz * 8 bits * 2 canais = 705.600 Hz

Um dos principais benefícios da I²S é a utilização de um codec interno através de seu filtro integrado. Enquanto o PDM requer um codec externo para reduzir sua taxa de amostragem, a taxa de dados do sinal de áudio com I²S é entregue a um nível já aceitável quando chega ao DSP. Isto elimina componentes extras necessários para o processamento dos dados de áudio capturados dentro do projeto geral, tornando a I²S bem adequada para aplicações que são totalmente autônomas e onde a operação com bateria eficiente em termos de energia é uma preocupação. Sem a necessidade de componentes externos adicionais, a economia de custos e de espaço em projetos compactos, como vestíveis, também podem ser fatores importantes.

Ao olhar para um projeto geral do sistema, é importante observar se as capacidades do DSP já estão instaladas. Se assim for, um dispositivo PDM, que possa utilizar os recursos de DSP embutidos no projeto, pode ser uma escolha melhor do que I²S que, em última análise, consumirá mais energia e recursos com suas três linhas de sinal.

PDM vs. I²S

O PDM oferece uma opção atraente para aplicações onde a qualidade de áudio é uma prioridade devido a sua melhor tolerância a erros de bit e imunidade a ruídos. Por outro lado, a I²S é uma escolha sólida onde as restrições de espaço ou custos de lista de materiais são preocupações devido a sua facilidade de instalação, menor pegada e nenhuma necessidade de componentes externos para processamento. A I²S também pode proporcionar maior qualidade de sinal em distâncias maiores, tornando-a uma melhor escolha em relação ao PDM quando o microfone e o circuito de processamento não estão tão próximos um do outro na placa de circuito impresso. Dito isto, a I²S não foi projetada especificamente para a transmissão sobre cabos ou outros dispositivos de transmissão, portanto, isto não pode ser levado ao extremo, pois muitos dispositivos não terão um casamento de impedância adequado. No final das contas, serão necessárias pesquisas adicionais sobre as exigências da aplicação, componentes disponíveis e taxas de dados esperadas para fazer quaisquer determinações finais.

Resumo

Os microfones MEMS continuam a encontrar mais usos em uma gama de dispositivos eletrônicos e a seleção de uma interface apropriada, seja analógica ou digital, é crucial para alcançar os melhores resultados em uma aplicação final. A Same Sky tem um extenso portfólio de microfones MEMS que permitem atender a uma gama diversificada de requisitos de sistemas de áudio. Além das unidades de interface analógica, vários microfones de interface digital PDM e I²S estão prontamente disponíveis.