Confronto tra le interfacce digitali PDM e I²S nei microfoni MEMS

I microfoni sono utilizzati da molti anni nei sistemi embedded. Tuttavia, dalla loro introduzione i microfoni MEMS hanno visto crescere rapidamente il loro utilizzo nel mercato grazie alla gamma sempre più ampia di applicazioni vocali in ambito domestico, automotive e nei dispositivi indossabili. I microfoni MEMS non solo offrono i vantaggi di un ingombro significativamente ridotto, bassi requisiti di potenza e una migliore immunità ai disturbi elettrici, ma anche una maggiore flessibilità di progettazione grazie alle diverse opzioni di uscita. I microfoni MEMS con uscita analogica sono ancora a disposizione, ma ora esistono anche le uscite digitali come la modulazione di densità di impulso (PDM) e Inter-IC sound (I²S).

In questo articolo si parlerà in modo più dettagliato di queste due interfacce digitali, delineando le loro caratteristiche uniche e i loro vantaggi e svantaggi nella progettazione dei sistemi. La scelta dipenderà dall'esame delle due tecnologie e dalla comprensione di come ciascun protocollo possa essere più adatto a condizioni applicative specifiche. Tra le considerazioni chiave da valutare si ricordano:

• Qualità audio
• Consumo energetico
• Costi della distinta base
• Vincoli di spazio del progetto
• Ambiente operativo dell'hardware

Modulazione di densità di impulso (PDM)

Utilizzati per convertire la tensione di un segnale analogico in un flusso digitale modulato a densità di impulsi a un solo bit, i segnali PDM assomigliano più a un'onda longitudinale che all'onda trasversale tipica dell'audio. Tuttavia, si tratta di una rappresentazione digitale di un segnale analogico.

Figura 1: Protocollo PDM (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

La Figura 1 mostra come la densità dei bit alti aumenti all'aumentare dell'ampiezza del segnale analogico. Di conseguenza, il segnale digitale rimane al suo valore basso per periodi più lunghi quando rappresenta l'estremità inferiore dell'ampiezza del segnale analogico. In questo modo si ottiene un segnale che offre molti dei vantaggi di un segnale digitale, pur essendo direttamente correlato al segnale analogico. A tale fine, i segnali PDM richiedono frequenze di campionamento più elevate, superiori a 3 MHz, perché gli impulsi digitali devono verificarsi molto più spesso dell'oscillazione del segnale analogico rappresentato.

La natura digitale del PDM gli conferisce una resistenza significativamente maggiore agli ambienti elettricamente rumorosi rispetto ai segnali analogici. Inoltre, presenta una maggiore tolleranza agli errori di bit in caso di degrado del segnale. Tuttavia, la natura ad alta frequenza del segnale comporta vincoli di distanza a causa dell'aumento della capacità sulle linee di trasmissione più lunghe, che potrebbero causare un'attenuazione indesiderata e un conseguente calo della qualità audio. I segnali PDM necessitano inoltre di un'ulteriore elaborazione da parte di un DSP o di un microcontroller esterno dotato di un codec appropriato per decimare (downsample) il segnale PDM a una frequenza di campionamento inferiore facendolo passare attraverso un filtro passa-basso per renderlo utilizzabile da parte di altri dispositivi. La semplicità del loro concetto fa sì che i dispositivi PDM necessitino solo di due segnali, rendendoli generalmente meno costosi, con un minor utilizzo di energia e con ingombri compatti. Questi vantaggi comportano il costo di circuiti aggiuntivi per l'elaborazione del segnale proveniente dal dispositivo PDM.

Inter-IC sound (I²S)

I²S è un'altra opzione di interfaccia digitale, apparsa originariamente a metà degli anni 1980 e che solo di recente ha trovato applicazione nei microfoni e in altri piccoli dispositivi. I²S e PDM sono entrambe interfacce a doppio canale, ma le loro somiglianze finiscono qui. Spesso si presume che vi sia una relazione o una confusione quando si confrontano i protocolli I²S e I²C, ma i loro nomi sono puramente casuali.

Figura 2: Protocollo Inter-IC sound (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

A differenza di PDM, I²S è un segnale interamente digitale che non richiede codifica o decodifica. Si tratta di un protocollo seriale trifilare con una linea di clock, una di dati e una di "word select", dove quest'ultima indica il canale destro o sinistro a cui sono associati i dati trasmessi. Sebbene non esista una velocità di trasmissione dati universalmente richiesta, esiste una velocità minima che dipende dai dati trasmessi e dalla loro precisione. Ad esempio, se la frequenza di campionamento audio è lo standard del settore di 44,1 kHz con 8 bit di precisione, un canale mono avrà bisogno di una velocità di clock di almeno 352,8 kHz. Per un'applicazione stereo il valore sarebbe doppio, pari a 705,6 kHz. Qualsiasi variazione della precisione modificherebbe anche la minima larghezza di banda di trasmissione.

Frequenza di campionamento * Precisione dei dati * Numero di canali = Larghezza di banda

44.100 Hz * 8 bit * 2 canali = 705.600 Hz

Uno dei principali vantaggi di I²S è l'utilizzo di un codec interno attraverso il filtro incorporato. Mentre PDM richiede un codec esterno per ridurre la frequenza di campionamento, con I²S la velocità di trasmissione dati del segnale audio è fornita a un livello già accettabile quando arriva al DSP. In questo modo si eliminano i componenti aggiuntivi necessari per l'elaborazione dei dati audio acquisiti nel progetto complessivo, rendendo I²S adatto ad applicazioni completamente autonome e dove l'efficienza energetica del funzionamento a batteria è un problema. Senza la necessità di componenti esterni aggiuntivi, il risparmio di costi e di spazio in progetti compatti, come gli indossabili, può essere un fattore chiave.

Quando si esamina il progetto di un sistema, è importante notare se le funzionalità DSP sono già presenti. In tal caso, un dispositivo PDM in grado di utilizzare le capacità DSP incorporate nel progetto potrebbe essere una scelta migliore rispetto a I²S che, con le sue tre linee di segnale, consumerà più energia e risorse.

PDM o I²S

PDM è un'opzione interessante per le applicazioni in cui la qualità audio è una priorità, grazie alla sua migliore tolleranza agli errori di bit e all'immunità ai disturbi. D'altro canto, I²S è una scelta solida in caso di vincoli di spazio o di costi in distinta base, grazie alla facilità di installazione, all'ingombro compatto e all'assenza di componenti esterni per l'elaborazione. I²S può anche fornire una maggiore qualità del segnale su distanze maggiori, il che lo rende una scelta migliore rispetto al PDM quando il microfono e i circuiti di elaborazione non sono così vicini tra loro sulla PCB. Detto questo, I²S non è stato progettato specificamente per la trasmissione su cavi o altri dispositivi di trasmissione, quindi non può essere portato all'estremo, poiché molti dispositivi non hanno un adeguato adattamento di impedenza. A conti fatti, per prendere una decisione definitiva sarà necessario valutare bene i requisiti dell'applicazione, i componenti disponibili e le velocità di trasmissione dati previste.

Riepilogo

I microfoni MEMS continuano a trovare impiego in una serie di dispositivi elettronici e la scelta di un'interfaccia appropriata - analogica o digitale - è fondamentale per ottenere i migliori risultati nell'applicazione finale. Same Sky offre un ampio portafoglio di microfoni MEMS per soddisfare una vasta gamma di requisiti di un sistema audio. Oltre alle unità con interfaccia analogica, sono disponibili diversi microfoni con interfaccia digitale PDM e I²S.