Ein Vergleich von digitalen PDM- und I²S-Schnittstellen in MEMS-Mikrofonen

Mikrofone werden schon seit vielen Jahren in eingebetteten Systemen eingesetzt. Seit ihrer Markteinführung haben MEMS-Mikrofone jedoch schnell an Bedeutung gewonnen, da die Zahl der sprachbasierten Anwendungen in den Bereichen Haushalt, Automobilelektronik und Wearables ständig zunimmt. MEMS-Mikrofone bieten nicht nur die Vorteile eines deutlich reduzierten Footprints, eines geringen Energiebedarfs und einer verbesserten elektrischen Störfestigkeit, sondern auch eine größere Designflexibilität mit einer Reihe von Ausgangsoptionen. MEMS-Mikrofone mit analogem Ausgang sind nach wie vor eine Option für Ingenieure, ebenso wie digitale Ausgänge wie Pulsdichtemodulation (PDM) und Inter-IC-Sound (I²S).

In diesem Artikel werden diese beiden digitalen Schnittstellen ausführlicher besprochen und ihre einzigartigen Eigenschaften sowie ihre Vor- und Nachteile für das Systemdesign erläutert. Für welche Lösung sich ein Ingenieur entscheidet, hängt von der Untersuchung der beiden Technologien ab und davon, inwiefern das jeweilige Protokoll für bestimmte Anwendungsbedingungen besser geeignet ist. Zu den wichtigsten Aspekten, die berücksichtigt werden, gehören:

• Audioqualität
• Stromverbrauch
• Kosten der Stückliste (BOM)
• Platzbeschränkungen des Designs
• Betriebsumgebung der Hardware

Überblick über die Pulsdichtemodulation (PDM)

PDM-Signale werden zur Umwandlung einer analogen Signalspannung in einen pulsdichtemodulierten digitalen Datenstrom mit einem Bit verwendet und ähneln eher einer Longitudinalwelle als der typischen Transversalwelle im Audiobereich. Sie sind jedoch eine digitale Darstellung eines analogen Signals.

Abbildung 1: PDM-Protokoll (Bildquelle: Same Sky)

Die obige Abbildung 1 zeigt, wie die Dichte der HIGH-Bits mit zunehmender Amplitude des analogen Signals steigt. Entsprechend verbleibt das digitale Signal für längere Zeit auf seinem LOW-Wert, wenn es das untere Ende der analogen Signalamplitude darstellt. Auf diese Weise entsteht ein Signal, das viele Vorteile eines digitalen Signals bietet, aber dennoch direkt mit dem analogen Signal korreliert ist. Um dies zu erreichen, sind bei PDM-Signalen höhere Abtastraten von über 3 MHz erforderlich, da die digitalen Impulse viel häufiger auftreten müssen als die Schwingung des dargestellten Analogsignals.

Die digitale Natur von PDM verleiht ihm im Vergleich zu analogen Signalen eine wesentlich höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber elektrisch verrauschten Umgebungen. Außerdem verfügt es über eine erhöhte Bitfehlertoleranz, wenn eine Signalverschlechterung auftritt. Der Hochfrequenzcharakter des Signals führt jedoch zu Entfernungsbeschränkungen aufgrund der erhöhten Kapazität auf längeren Übertragungsleitungen, was zu einer unerwünschten Dämpfung und einer daraus resultierenden Verschlechterung der Audioqualität führen kann. PDM-Signale müssen zusätzlich von einem externen DSP oder Mikrocontroller mit einem geeigneten Codec verarbeitet werden, um das PDM-Signal durch einen Tiefpassfilter auf eine niedrigere Abtastrate zu dezimieren, so dass es für andere Geräte nutzbar wird. Die Einfachheit ihres Konzepts bedeutet, dass PDM-Geräte nur zwei Signale benötigen, was sie im Allgemeinen preiswerter macht, da sie weniger Strom verbrauchen und einen kompakten Footprint haben. Diese Vorteile werden durch zusätzliche Schaltungen zur Verarbeitung des vom PDM-Gerät kommenden Signals erkauft.

Inter-IC-Sound (I²S) im Überblick

I²S ist eine weitere beliebte digitale Schnittstellenoption, die ursprünglich Mitte der 1980er Jahre aufkam und erst kürzlich ihren Weg in Mikrofone und andere kleine Geräte gefunden hat. I²S und PDM sind beides zweikanalige Schnittstellen, aber das ist auch schon das Ende ihrer Gemeinsamkeiten. Häufig werden I²S- und I²C-Protokolle verwechselt oder eine Verwandtschaft angenommen, aber die Namensähnlichkeit ist rein zufällig.

Abbildung 2: Inter-IC-Soundprotokoll (Bildquelle: Same Sky)

I²S ist im Gegensatz zu PDM ein rein digitales Signal, d. h. es muss weder kodiert noch dekodiert werden. Es handelt sich um ein serielles Dreidrahtprotokoll mit einer Takt-, einer Daten- und einer „Wortauswahl“-Leitung, wobei die „Wortauswahl“ einen rechten oder linken Kanal angibt, dem die übertragenen Daten zugeordnet sind. Es gibt zwar keine allgemein vorgeschriebene Datenübertragungsgeschwindigkeit, aber es gibt eine Mindestgeschwindigkeit, die von den übertragenen Daten und ihrer Genauigkeit abhängt. Wenn beispielsweise die Audio-Abtastrate dem Industriestandard von 44,1 kHz mit einer Genauigkeit von 8 Bit entspricht, dann benötigt ein Monokanal eine Taktfrequenz von mindestens 352,8 kHz. Bei einer Stereoanwendung wäre dieser Wert mit 705,6 kHz doppelt so hoch. Jede Änderung der Genauigkeit würde auch die Mindestübertragungsbandbreite verändern.

Abtastfrequenz * Datengenauigkeit * Kanalanzahl = Bandbreite

44.100 Hz * 8 Bit * 2 Kanäle = 705.600 Hz

Ein Hauptvorteil von I²S ist die Verwendung eines internen Codecs durch einen eingebauten Filter. Während bei PDM ein externer Codec erforderlich ist, um die Abtastrate zu senken, wird die Datenrate des Audiosignals bei I²S bereits auf einem akzeptablen Niveau geliefert, wenn es den DSP erreicht. Dadurch entfallen die zusätzlichen Komponenten, die für die Verarbeitung der erfassten Audiodaten innerhalb des Gesamtdesigns erforderlich sind. Dadurch eignet sich I²S besonders für Anwendungen, die völlig autark sind und bei denen ein energieeffizienter Batteriebetrieb wichtig ist. Da keine zusätzlichen externen Komponenten benötigt werden, können Kosten- und Platzeinsparungen bei kompakten Designs, wie z. B. bei Wearables, ebenfalls wichtige Faktoren sein.

Bei der Betrachtung eines Gesamtsystems ist es wichtig zu wissen, ob bereits DSP-Funktionen vorhanden sind. In diesem Fall wäre ein PDM-Baustein, der die integrierten DSP-Fähigkeiten des Designs nutzen kann, die bessere Wahl als I²S, das mit seinen drei Signalleitungen letztlich mehr Strom und Ressourcen verbraucht.

PDM vs. I²S

PDM ist aufgrund seiner besseren Bitfehlertoleranz und Rauschunempfindlichkeit eine attraktive Option für Anwendungen, bei denen die Audioqualität eine Priorität darstellt. Andererseits ist I²S eine solide Wahl, wenn Platzmangel oder Stücklistenkosten ein Problem darstellen, da es einfach zu installieren ist, einen kleineren Footprint aufweist und keine externen Komponenten für die Verarbeitung benötigt werden. I²S kann auch über größere Entfernungen eine bessere Signalqualität liefern und ist daher die bessere Wahl gegenüber PDM, wenn Mikrofon und Verarbeitungsschaltungen auf der Leiterplatte nicht so nahe beieinander liegen. Allerdings wurde I²S nicht speziell für die Übertragung über Kabel oder andere Übertragungsgeräte entwickelt, so dass dies nicht auf die Spitze getrieben werden kann, da viele Geräte keine korrekte Impedanzanpassung haben werden. Letztendlich sind weitere Untersuchungen zu den Anforderungen der Anwendung, den verfügbaren Komponenten und den erwarteten Datenraten erforderlich, um eine endgültige Entscheidung zu treffen.

Zusammenfassung

MEMS-Mikrofone finden immer mehr Verwendung in einer Reihe von elektronischen Geräten, und die Auswahl einer geeigneten Schnittstelle, ob analog oder digital, ist entscheidend, um die besten Ergebnisse in einer Endanwendung zu erzielen. Same Sky verfügt über ein umfangreiches Portfolio an MEMS-Mikrofonen, mit denen eine Vielzahl von Anforderungen an Audiosysteme erfüllt werden können. Neben analogen Schnittstelleneinheiten sind auch verschiedene digitale PDM- und I²S-Schnittstellenmikrofone erhältlich.