Comparación de las interfaces digitales PDM e I²S en los micrófonos MEMS

Los micrófonos se han utilizado en los sistemas integrados durante muchos años. Sin embargo, desde su creación, los micrófonos MEMS han visto crecer rápidamente su uso en el mercado debido a la creciente gama de aplicaciones basadas en la voz en el hogar, el sector automotriz y los dispositivos de vestir. Los micrófonos MEMS no sólo ofrecen las ventajas de una huella significativamente reducida, bajos requisitos de energía y una mejor inmunidad al ruido eléctrico, sino también una mayor flexibilidad de diseño con una serie de opciones de salida. Los micrófonos MEMS de salida analógica siguen siendo una opción para los ingenieros, así como las salidas digitales, como la modulación de densidad de impulsos (PDM) y el sonido inter-IC (I²S).

En este artículo se analizan estas dos interfaces digitales con más detalle, destacando sus características únicas, así como sus ventajas y desventajas a la hora de diseñar el sistema. La elección de un ingeniero se reduce a un examen de las dos tecnologías y a entender cómo cada protocolo puede ser más adecuado para las condiciones específicas de la aplicación. Se tendrán en cuenta varias consideraciones clave:

• Calidad del audio
• Consumo de energía
• Costos de la lista de materiales (BOM)
• Limitaciones de espacio del diseño
• Entorno operativo del hardware

Descripción de la modulación por densidad de impulsos (PDM)

Al utilizarse para convertir una tensión de señal analógica en un flujo digital de densidad de impulsos de un solo bit, las señales PDM se asemejan más a una onda longitudinal que a la típica onda transversal que se ve en el audio. Sin embargo, son una representación digital de una señal analógica.

Figura 1: Protocolo PDM (Fuente de la imagen: Same Sky)

La figura 1 muestra cómo la densidad de los bits altos aumenta a medida que crece la amplitud de la señal analógica. Como resultado, la señal digital permanece en su valor bajo durante más tiempo al representar el extremo inferior de la amplitud de la señal analógica. Esto crea una señal que ofrece muchos beneficios de una señal digital mientras sigue estando directamente correlacionada con la señal analógica. Para conseguirlo, las señales PDM requieren velocidades de muestreo más altas, por encima de los 3 MHz, ya que los pulsos digitales deben producirse con mucha más frecuencia que la oscilación de la señal analógica representada.

La naturaleza digital de PDM le da una resistencia significativamente mayor a los entornos eléctricamente ruidosos en comparación con las señales analógicas. También tiene una mayor tolerancia a los errores de bit cuando se produce una degradación de la señal. Sin embargo, la naturaleza de alta frecuencia de la señal conlleva limitaciones de distancia debido al aumento de la capacitancia en las líneas de transmisión más largas, lo que puede provocar una atenuación no deseada y la consiguiente caída de la calidad de audio. Las señales PDM también necesitan un procesamiento adicional por parte de un DSP externo o un microcontrolador con un códec adecuado para diezmar, o reducir, la señal PDM a una frecuencia de muestreo más baja haciéndola pasar por un filtro de paso bajo, lo que la hace utilizable para otros dispositivos. La sencillez de su concepto hace que los dispositivos PDM sólo necesiten dos señales, lo que los hace generalmente menos costosos, con menor consumo de energía y huellas compactas. Estas ventajas tienen como contrapartida un circuito adicional para procesar la señal procedente del dispositivo PDM.

Descripción del sonido Inter-IC (I²S)

I²S es otra popular opción de interfaz digital que apareció originalmente a mediados de la década de 1980 y sólo recientemente ha encontrado su camino en los micrófonos y otros dispositivos pequeños. Tanto I²S como PDM son interfaces de doble canal, pero ahí acaban sus similitudes. También suele haber una supuesta relación o confusión al comparar los protocolos I²S e I²C, pero sus nombres son pura coincidencia.

Figura 2: Protocolo de sonido Inter-IC (Fuente de la imagen: Same Sky)

I²S es una señal totalmente digital, a diferencia de PDM, lo que significa que no requiere codificación ni decodificación. Se trata de un protocolo serie de tres hilos que incluye una línea de reloj, otra de datos y otra de "selección de palabra", en la que la "selección de palabra" indica el canal derecho o izquierdo al que se asocian los datos que se transmiten. Aunque no existe una velocidad de transmisión de datos universalmente requerida, hay una velocidad mínima que depende de los datos transmitidos y de su precisión. Por ejemplo, si la frecuencia de muestreo de audio es el estándar de la industria de 44,1 kHz con 8 bits de precisión, entonces un canal mono necesitará una velocidad de reloj de al menos 352,8 kHz. Esto sería el doble que a 705,6 kHz para una aplicación estéreo. Cualquier cambio en la precisión también modificaría el ancho de banda mínimo de transmisión.

Frecuencia de muestreo * Precisión de los datos * Número de canales = Ancho de banda

44.100 Hz * 8 bits * 2 canales = 705.600 Hz

Una de las principales ventajas de I²S es la utilización de un códec interno a través de su filtro incorporado. Mientras que el PDM requiere un códec externo para reducir su velocidad de muestreo, la velocidad de datos de la señal de audio con I²S se entrega a un nivel ya aceptable al llegar al DSP. Esto elimina los componentes adicionales necesarios para el procesamiento de los datos de audio capturados dentro del diseño general, lo que hace que I²S sea muy adecuado para aplicaciones totalmente autónomas y en las que la eficiencia energética del funcionamiento con baterías es una preocupación. Sin necesidad de componentes externos adicionales, el ahorro de costos y de espacio en diseños compactos, como los dispositivos de vestir, también pueden ser factores clave.

Cuando se examina el diseño de un sistema global, es importante tener en cuenta si las capacidades de DSP ya existen. Si es así, un dispositivo PDM que pueda utilizar las capacidades DSP integradas en el diseño podría ser una mejor opción en lugar de I²S que, en última instancia, consumirá más energía y recursos con sus tres líneas de señal.

PDM en comparación con I²S

El PDM es una opción atractiva para las aplicaciones en las que la calidad de audio es una prioridad, gracias a su mayor tolerancia a los errores de bit e inmunidad al ruido. Por otro lado, I²S es una opción sólida cuando las limitaciones de espacio o los costos de la lista de materiales son motivo de preocupación debido a su facilidad de instalación, su menor tamaño y la ausencia de componentes externos para el procesamiento. I²S también puede proporcionar una mayor calidad de la señal en distancias más largas, por lo que es una mejor opción que PDM cuando el micrófono y el circuito de procesamiento no están tan cerca el uno del otro en la placa de CI. Dicho esto, el I²S no fue diseñado específicamente para la transmisión a través de cables u otros dispositivos de transmisión, por lo que no se puede llevar al extremo ya que muchos dispositivos no tendrán una adaptación de impedancia adecuada. Al final, será necesario investigar más sobre las exigencias de la aplicación, los componentes disponibles y las velocidades de datos previstas para tomar una decisión definitiva.

Resumen

Los micrófonos MEMS siguen encontrando más usos en una serie de dispositivos electrónicos y la selección de una interfaz adecuada, ya sea analógica o digital, es crucial para conseguir los mejores resultados en una aplicación final. Same Sky cuenta con una amplia cartera de micrófonos MEMS que permiten dar respuesta a una gran variedad de requisitos de los sistemas de audio. Además de unidades de interfaz analógica, hay disponibles varios micrófonos de interfaz digital PDM e I²S.