השוואה בין ממשקי PDM ו-I²S דיגיטליים במיקרופונים MEMS

מיקרופונים משמשים במערכות משובצות מזה שנים רבות. עם זאת, מאז ראשיתם, השימוש במיקרופונים MEMS ממשיך לגדול במהירות עקב המגוון ההולך ומתרחב של יישומים מבוססי-קול בבית, בכלי-רכב ובהתקנים לבישים. מיקרופונים MEMS מציעים לא רק את היתרונות של חתימות-שטח מוקטנות משמעותית, דרישות הספק נמוך וחסינות משופרת לרעשים חשמליים, אלא גם גמישות תכנונית גדולה יותר עם מספר אפשרויות יציאה. מיקרופונים MEMS עם יציאה אנלוגית הם עדיין אופציה למהנדסים, כמו גם יציאות דיגיטליות כגון אפנון צפיפות פולסים (PDM) ו-Inter-IC Sound‏ (I²S‏).

מאמר זה ידון בשני הממשקים הדיגיטליים הללו ביתר פירוט, תוך תיאור המאפיינים הייחודיים שלהם וכן היתרונות והחסרונות שלהם בכל הנוגע לתכנון המערכת. איזה מהם יבחר המהנדס יהיה תלוי בבחינה של שתי הטכנולוגיות ובהבנה כיצד כל פרוטוקול עשוי להתאים יותר לתנאי יישום ספציפיים. מספר שיקולים עיקריים שיילקחו בחשבון כוללים:

• איכות האודיו
• צריכת ההספק
• עלויות מפרט החומרים (BOM)
• מגבלות המקום של התכן
• סביבת הפעולה של החומרה

סקירה כללית של אפנון צפיפות פולסים

משמש להמרת מתח אות אנלוגי לזרם דיגיטלי מאופנן צפיפות של פולסים של ביט-יחיד, אותות PDM דומים יותר לגל אורכי מאשר לגל רוחבי טיפוסי הקיים באודיו. עם זאת, הוא מהווה ייצוג דיגיטלי של אות אנלוגי.

איור 1: פרוטוקול PDM (מקור התמונה: Same Sky)

איור 1 לעיל מראה כיצד צפיפות הביטים הגבוהה גדלה ככל שאמפליטודת האות האנלוגי גדלה. כתוצאה מכך, האות הדיגיטלי נשאר בערכו הנמוך לפרקי זמן ארוכים יותר כאשר הוא מייצג את הקצה התחתון של אמפליטודת האות האנלוגי. זה יוצר אות המציע יתרונות רבים של אות דיגיטלי תוך שהוא עדיין בקורלציה ישירה עם האות האנלוגי. כדי להשיג זאת, אותות PDM דורשים קצבי דגימה גבוהים יותר, מעל 3 מגה-הרץ, מכיוון שהפולסים הדיגיטליים חייבים להתרחש לעתים קרובות יותר מהתנודה של האות האנלוגי המיוצג.

האופי הדיגיטלי של PDM נותן לו גמישות גדולה יותר באופן משמעותי בסביבות רועשות חשמלית בהשוואה לאותות אנלוגיים. יש לו גם טולרנס מוגדל לשגיאות ביטים כאשר מתרחשת דגרדציה של האות. עם זאת, אופי התדר הגבוה של האות מוביל לאילוצי מרחק בשל הקיבוליות המוגדלת בקווי שידור ארוכים יותר העלולה לגרום לניחות לא-רצוי וכתוצאה מכך לירידה באיכות האודיו. אותות PDM זקוקים גם לעיבוד נוסף על ידי DSP או מיקרו-בקר חיצוני עם Codec מתאים, כדי להקטין או להוריד את קצב הדגימה של אות ה-PDM‏ על ידי העברתו דרך מסנן מעביר-נמוכים, ובכך להפוך אותו לשימושי עבור התקנים אחרים. הפשטות של הרעיון שלהם פירושה שהתקני PDM צריכים רק שני אותות, מה שהופך אותם לרוב לפחות יקרים, עם צריכת הספק נמוכה יותר וחתימות-שטח קומפקטיות. יתרונות אלו מגיעים במחיר של מעגלים נוספים לעיבוד האות המגיע מהתקן ה-PDM.

סקירה כללית של Inter-IC Sound‏ (I²S‏)

I²S היא אפשרות ממשק דיגיטלית נפוצה נוספת שהופיעה במקור באמצע שנות ה-80 ורק לאחרונה מצאה את דרכה למיקרופונים והתקנים קטנים אחרים. I²S ו-PDM הם שניהם ממשקים דו-ערוציים, אך בכך מסתיים הדמיון ביניהם. לעתים קרובות יש גם קשר משוער או בלבול כאשר משווים בין פרוטוקולי I²S ו-C‏^2‏I‏, אך שמותיהם הם מקריים לחלוטין.

איור 2: פרוטוקול Inter-IC Sound‏ (מקור התמונה: התקני CUI)

I²S הוא אות דיגיטלי לחלוטין, בניגוד ל-PDM, כלומר הוא אינו דורש הצפנה או פענוח. זהו פרוטוקול טורי תלת-חוטי הכולל שעון, נתונים וקו "בחירת מילים", כאשר "בחירת מילים" מציינת ערוץ ימני או שמאל שבו משויכים הנתונים המשודרים. אמנם אין מהירות שידור נתונים הנדרשת אוניברסלית, אך יש מהירות מינימלית שתלויה בנתונים המשודרים ובדיוק שלהם. לדוגמה, אם קצב דגימת האודיו הוא תקן התעשייה של 44.1 קילו-הרץ עם דיוק של 8 ביטים, אזי ערוץ מונו יצטרך מהירות שעון של לפחות 352.8 קילו-הרץ. זה יהיה כפול מזה עם 705.6 קילו-הרץ עבור יישום סטריאו. כל שינוי בדיוק ישנה גם את רוחב הפס המינימלי של השידור.

תדר הדגימה * דיוק הנתונים * מספר ערוצים = רוחב הפס

44,100 הרץ * 8 ביטים * 2 ערוצים = 705,600 הרץ

היתרון העיקרי של I²S הוא השימוש שלו ב-Codec פנימי באמצעות המסנן המובנה שלו. בעוד ש-PDM דורש Codec חיצוני כדי להוריד את קצב הדגימה שלו, קצב הנתונים של אות האודיו עם I²S מועבר כבר ברמה הדרושה כאשר מגיעים ל-DSP. זה חוסך רכיבים נוספים הנדרשים לעיבוד נתוני האודיו שנקלטו במסגרת התכן הכולל, מה שהופך את ה-I²S למתאים היטב עבור יישומים שהם לגמרי עצמאיים ושבהם פעולה עם הזנת-סוללות חסכונית באנרגיה מהווה שיקול חשוב. ללא הצורך ברכיבים חיצוניים נוספים, החיסכון בעלויות והחיסכון במקום בתכנים קומפקטיים, כגון התקנים לבישים, יכולים גם כן להוות גורמי מפתח.

כאשר מסתכלים על תכן המערכת הכולל, חשוב לשים לב אם יכולות DSP כבר קיימות. אם כן, התקן PDM שיכול לנצל את יכולות ה-DSP המובנות בתכן עשוי להיות בחירה טובה יותר על פני I²S שבסופו של דבר יצרוך יותר הספק ומשאבים עם שלושת קווי האותות שלו.

PDM לעומת I²S

PDM מציע אפשרות אטרקטיבית עבור יישומים שבהם איכות האודיו היא בראש סדר העדיפויות, בשל טולרנס טוב יותר של שגיאות ביטים וחסינות לרעש. מצד שני, I²S היא בחירה טובה כאשר מגבלות מקום או עלויות BOM מהווים שיקול חשוב הודות לקלות ההתקנה, חתימת-שטח קטנה יותר, ובהיעדר הצורך ברכיבים חיצוניים עבור העיבוד. I²S יכול גם לספק איכות אות גבוהה יותר למרחקים ארוכים יותר, מה שהופך אותו לבחירה טובה יותר על פני PDM כאשר המיקרופון ומעגלי העיבוד אינם קרובים זה לזה על לוח ה-PCB. עם זאת, I²S לא תוכנן במיוחד עבור שידור על גבי כבלים או התקני שידור אחרים, כך שלא ניתן לקחת זאת לקיצוניות מכיוון שלהתקנים רבים לא יהיה תיאום אימפדנסים ראוי. בסופו של יום, יידרש מחקר נוסף על דרישות היישום, הרכיבים הזמינים וקצבי הנתונים הצפויים כדי לקבל החלטות סופיות.

סיכום

מיקרופונים MEMS ממשיכים למצוא שימושים נוספים במגוון של התקנים אלקטרוניים והבחירה של ממשק מתאים, בין אם אנלוגי או דיגיטלי, היא חיונית להשגת התוצאות הטובות ביותר ביישום הקצה. ל-Same Sky יש סל נרחב של מיקרופונים MEMS המאפשרים לתת מענה למגוון רחב של דרישות מערכת אודיו. בנוסף ליחידות ממשק אנלוגיות, קיימים מיקרופונים שונים עם ממשקים דיגיטליים PDM ו-I²S.