PDM vs. I2S: confronto delle interfacce digitali nei microfoni MEMS

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Di Jeff Smoot, CUI Devices

Nonostante i microfoni nei sistemi embedded siano disponibili da parecchi decenni, una volta lanciati i microfoni MEMS il loro utilizzo si è rapidamente esteso. Questa espansione è anche dovuta al successo delle applicazioni vocali utilizzabili a casa, in auto e nei dispositivi wearable. Oltre al loro ingombro notevolmente ridotto, a requisiti di alimentazione inferiori e a una maggiore reiezione del rumore elettrico, uno dei principali vantaggi dei microfoni MEMS è un aumento delle opzioni di uscita, il che offre una maggiore flessibilità sia ai tecnici che ai progettisti. Sebbene siano ancora disponibili le opzioni analogiche, due popolari opzioni di uscita sono i protocolli digitali di modulazione di densità d’impulso (PDM) e l’interfaccia audio inter-IC sound (I²S).

Ciascuna di queste interfacce possiede le proprie caratteristiche distinte ed entrambe offrono vantaggi e svantaggi che i tecnici devono comprendere ai fini di una corretta implementazione del design. Come per tutte le decisioni di carattere squisitamente tecnico, la scelta tra questi due protocolli richiederà a un progettista di esaminare le tecnologie e capire quale protocollo offra le migliori prestazioni tenendo conto delle condizioni di ciascuna applicazione. I principali fattori da considerare quando si confrontano le due tecnologie sono le seguenti:

• livelli della qualità audio;
• livelli di consumo energetico;
• costi dei materiali;
• vincoli di spazio a cui il design deve attenersi;
• l’ambiente operativo in cui verrà impiegato l’hardware.

Modulazione di densità d’impulso (PDM)

La PDM viene utilizzata per convertire una tensione di segnale analogico in un flusso digitale modulato della densità d’impulso a bit singolo. Rispetto alle classiche onde stereo trasversali associate ai segnali audio, quelle dei segnali PDM sembrano più simili a onde longitudinali, ma sono delle rappresentazioni digitali di segnali analogici.

Protocollo della modulazione di densità d’impulso (PDM).

Come si può osservare nella figura qui sopra, la densità dei bit alti aumenta all’aumentare dell’ampiezza del segnale analogico e, di conseguenza, quando rappresenta l’estremità inferiore dell’ampiezza del segnale analogico il segnale digitale rimane al suo valore basso per periodi di tempo maggiori. Ciò produce un segnale che offre molti dei vantaggi offerti da un segnale digitale, pur essendo direttamente correlato al segnale analogico. La creazione di questo segnale PDM richiede frequenze di campionamento più elevate del normale (ossia frequenze superiori a 3 MHz), in quanto gli impulsi digitali devono verificarsi numerose volte con frequenza maggiore rispetto all’oscillazione del segnale analogico che rappresentano.

A causa della natura digitale del segnale, rispetto a un segnale analogico la PDM è molto più resistente agli ambienti elettricamente rumorosi e ha una maggiore tolleranza agli errori di bit in caso di degrado del segnale. Il segnale ad alta frequenza crea limiti di distanza, in quanto una maggiore capacitanza su linee di trasmissione più lunghe può causare un’attenuazione indesiderata e un conseguente degrado della qualità audio. Inoltre, questi segnali richiedono un’ulteriore elaborazione da parte di un DSP o micro-controller esterno con un codec adeguato per decimare o sottocampionare il segnale PDM a una frequenza di campionamento inferiore facendolo passare attraverso un filtro passa basso, rendendolo così utilizzabile con altri dispositivi. Il suo semplice concetto basilare implica che gli stessi dispositivi PDM richiedono solo due segnali e tendono a essere meno costosi, a occupare meno spazio e a consumare meno energia. Tuttavia, questi vantaggi possono essere compensati dalla circuiteria aggiuntiva richiesta per elaborare il segnale proveniente dai dispositivi PDM.

Inter-IC sound (I²S)

Apparsa verso la metà degli anni ’80, l’interfaccia I²S è un’altra popolare opzione, anche se solo di recente ha iniziato a essere più integrata in dispositivi più piccoli come i microfoni. Sebbene il nome richiami una relazione con i protocolli I²S, l’analogia è puramente casuale. Come nel caso della PDM, si tratta di un’interfaccia dual-channel, e questa è l’unica cosa che le accomuna.

Protocollo I²S

Il protocollo I²S è un protocollo seriale a tre fili con una linea di clock, dati e “word select”. In questo caso il termine “word select” indica il canale, destro o sinistro, al quale sono associati i dati trasmessi. A differenza di quello PDM, il segnale I²S è interamente digitale che non necessita di essere codificato o decodificato. Non esiste una velocità di trasmissione dati richiesta universalmente, tuttavia, la velocità minima dipende dai dati trasmessi e dalla loro precisione. Se la frequenza di campionamento audio standard è di 44,1 kHz con 8 bit di precisione, un canale mono avrà bisogno di una velocità di clock di almeno 352,8 kHz. Un’applicazione stereo sarebbe il doppio di quella a 705,6 kHz e qualsiasi modifica della precisione cambierebbe anche la larghezza minima di banda della trasmissione.

Frequenza campione * Precisione dati * Numero canali = Larghezza di banda

44.100 Hz * 8 bit * 2 canali = 705.600 Hz

Mentre la PDM impone a un codec esterno per ridurre la frequenza di campionamento, l’interfaccia I²S utilizza un codec interno tramite il suo filtro integrato. Pertanto, quando arriva al DSP, la velocità dei dati del segnale audio è già a un livello accettabile. Ciò elimina la necessità di componenti aggiuntivi all’interno del dispositivo per l’elaborazione o il condizionamento dei dati audio acquisiti. Sulla base di ciò, è probabile che l’interfaccia I²S sia l’opzione migliore da scegliere per quanto concerne prodotti sensibili al prezzo che sono completamente autonomi e per i quali il funzionamento a batteria a basso consumo energetico è un prerequisito. Lo stesso vale se il prodotto in cui vengono integrati deve essere il più compatto possibile (come nel caso di dispositivi wearable, apparecchiature portatili ecc.).

Infine, quando si confrontano i requisiti di risorse delle interfacce PDM e I²S, è importante verificare se esistono già delle funzioni DSP integrate nel dispositivo. In tal caso, rispetto a un dispositivo PDM in grado di utilizzare le capacità DSP già disponibili sulla scheda, le tre linee di segnale e il maggiore consumo energetico di un dispositivo I²S potrebbero richiedere più risorse.

Adattabilità dell’interfaccia ad applicazioni diverse

La migliore immunità al rumore e la tolleranza agli errori di bit offerte dall’interfaccia PDM possono rendere questo tipo di modulazione interessante per molte applicazioni in cui la qualità dell’audio sia una priorità. Al contrario, la facilità dell’installazione, l’ingombro ridotto e il minor numero di componenti abilitati dall’interfaccia I²S avranno dei meriti in situazioni in cui le dimensioni del prodotto o il suo prezzo si rivelino essere tra le principali problematiche. Va inoltre notato che, offrendo una migliore integrità del segnale su lunghe distanze, l’interfaccia I²S potrà essere usata anche per implementazioni in cui il microfono e il circuito di elaborazione non possono essere collocati uno accanto all’altro sulla scheda. Tuttavia, questo non può essere portato all’estremo, in quanto l’interfaccia I²S non è stata progettata specificamente per la trasmissione su cavi o altri dispositivi di trasmissione e molti dispositivi non avranno un’adeguata corrispondenza dell’impedenza. Ulteriori ricerche sulle parti disponibili, le richieste dell’applicazione e le velocità dei dati previste saranno richieste caso per caso.

Conclusioni

I microfoni MEMS stanno diventando comuni nella moderna progettazione elettronica e disporre di un’interfaccia ottimale è fondamentale. Sono molti i fattori da prendere in considerazione quando si decide quale interfaccia sarà ottimizzata per il proprio particolare scenario applicativo. Un’interfaccia PDM può essere l’opzione ideale in ambienti applicativi difficili, grazie alla sua intrinseca resilienza al rumore. Al contrario, l’utilizzo di un’interfaccia I²S consente a un ingresso di connettersi direttamente al DSP associato o ad altri dispositivi processore/controller senza ulteriori complicazioni. CUI Devices dispone di un’ampia gamma di microfoni MEMS che consentono di soddisfare una vasta gamma di requisiti del sistema audio. Oltre alle unità con interfaccia analogica, sono disponibili anche vari microfoni con interfaccia PDM e I²S.

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