Comparaison des interfaces numériques PDM et I²S dans les microphones MEMS

Les microphones sont utilisés dans les systèmes embarqués depuis de nombreuses années. Cependant, depuis leur introduction, les microphones MEMS ont rapidement gagné en importance, car le nombre d'applications basées sur la voix ne cesse d'augmenter dans les domaines de la maison, de l'automobile et des dispositifs corporels. Les microphones MEMS offrent non seulement les avantages d'une empreinte considérablement réduite, d'une basse consommation d'énergie et d'une meilleure immunité au bruit électrique, mais également une plus grande flexibilité de conception grâce à plusieurs options de sortie. Les microphones MEMS à sortie analogique restent une option pour les ingénieurs, tout comme les sorties numériques telles que PDM (modulation de densité d'impulsions) et I²S (Inter-IC Sound).

Cet article aborde ces deux interfaces numériques plus en détail, en soulignant leurs caractéristiques uniques ainsi que leurs avantages et inconvénients en termes de conception système. Le choix de l'ingénieur dépend de l'examen des deux technologies et de la compréhension de la manière dont chaque protocole peut être mieux adapté aux conditions d'applications spécifiques. Plusieurs considérations clés sont prises en compte :

• Qualité audio
• Consommation énergétique
• Coûts de nomenclatures (BOM)
• Contraintes d'espace de la conception
• Environnement opérationnel du matériel

Vue d'ensemble de la modulation PDM

Utilisés pour convertir la tension de signal analogique en un flux numérique modulé par densité d'impulsions d'un seul bit, les signaux PDM ressemblent davantage à une onde longitudinale qu'à l'onde transversale typique dans l'audio. Cependant, ils sont une représentation numérique d'un signal analogique.

Figure 1 : Protocole PDM. (Source de l'image : Same Sky)

La Figure 1 ci-dessus montre comment la densité des bits élevés augmente à mesure que l'amplitude du signal analogique augmente. Par conséquent, le signal numérique reste à sa valeur basse pendant de plus longues périodes lorsqu'il représente l'extrémité inférieure de l'amplitude du signal analogique. Cela crée un signal qui offre de nombreux avantages d'un signal numérique tout en étant directement corrélé au signal analogique. Pour y parvenir, les signaux PDM requièrent des fréquences d'échantillonnage plus élevées, supérieures à 3 MHz, car les impulsions numériques doivent se produire beaucoup plus souvent que l'oscillation du signal analogique représenté.

La nature numérique de la modulation PDM lui confère une résilience nettement supérieure aux environnements électriquement bruyants par rapport aux signaux analogiques. Elle présente également une tolérance accrue aux erreurs de bits en cas de dégradation du signal. Cependant, la nature haute fréquence du signal entraîne des contraintes de distance en raison de l'augmentation de la capacité sur les lignes de transmission plus longues, ce qui peut provoquer une atténuation indésirable et une baisse de la qualité audio. Les signaux PDM nécessitent également un traitement supplémentaire par un DSP ou un microcontrôleur externe, avec un codec approprié pour décimer, ou sous-échantillonner, le signal PDM à une fréquence d'échantillonnage inférieure en le faisant passer par un filtre passe-bas, ce qui le rend utilisable par d'autres dispositifs. La simplicité de leur concept signifie que les dispositifs PDM n'ont besoin que de deux signaux, ce qui les rend généralement moins chers, avec une consommation d'énergie moindre et une empreinte compacte. Ces avantages se font au prix de circuits supplémentaires pour traiter le signal provenant du dispositif PDM.

Vue d'ensemble de l'option I²S

I²S est une autre option d'interface numérique populaire, apparue au milieu des années 1980, et qui n'a trouvé sa place que récemment dans les microphones et autres petits dispositifs. Les interfaces I²S et PDM sont toutes les deux dotées de deux canaux, mais leurs similitudes s'arrêtent là. Il y a aussi souvent une relation présumée ou une confusion lorsqu'on compare les protocoles I²S et I²C, mais leurs noms sont purement fortuits.

Figure 2 : Protocole I²S. (Source de l'image : Same Sky)

I²S est un signal entièrement numérique, contrairement à PDM, ce qui signifie qu'il ne nécessite ni codage ni décodage. Il s'agit d'un protocole série à trois fils comportant une ligne d'horloge, une ligne de données et une ligne de « sélection de mot », cette dernière indiquant un canal droit ou gauche auquel les données transmises sont associées. Bien qu'il n'y ait pas de vitesse de transmission de données universellement requise, il existe une vitesse minimale qui dépend des données transmises et de leur précision. Par exemple, si la fréquence d'échantillonnage audio est la norme industrielle de 44,1 kHz avec 8 bits de précision, alors un canal mono aura besoin d'une fréquence d'horloge d'au moins 352,8 kHz. Ce serait le double à 705,6 kHz pour une application stéréo. Tout changement de précision modifierait également la largeur de bande de transmission minimum.

Fréquence d'échantillonnage * précision des données * nombre de canaux = largeur de bande

44,100 Hz * 8 bits * 2 canaux = 705,600 Hz

L'un des principaux avantages d'I²S est l'utilisation d'un codec interne via son filtre intégré. Alors que la modulation PDM requiert un codec externe pour réduire la fréquence d'échantillonnage, le débit de données du signal audio avec I²S est fourni à un niveau déjà acceptable lorsqu'il atteint le DSP. Cela élimine les composants supplémentaires requis pour le traitement des données audio capturées dans la conception globale. De ce fait, I²S convient parfaitement aux applications qui sont entièrement autonomes et où un fonctionnement sur batterie écoénergétique est important. Sans la nécessité de composants externes supplémentaires, les économies de coûts et d'espace dans les conceptions compactes, telles que les dispositifs corporels, peuvent également être des facteurs clés.

Lors de l'examen de la conception globale d'un système, il est important de noter si les capacités DSP sont déjà en place. Si c'est le cas, un dispositif PDM capable d'utiliser les capacités DSP intégrées de la conception peut s'avérer un meilleur choix que l'option I²S qui, avec ses trois lignes de signaux, consommera plus de puissance et de ressources.

PDM ou I²S

PDM offre une option intéressante pour les applications dans lesquelles la qualité audio est une priorité, en raison de sa meilleure tolérance aux erreurs de bits et de son immunité au bruit. En revanche, I²S constitue un choix solide lorsque les contraintes d'espace ou les coûts de nomenclature sont des préoccupations, car cette option est facile à installer, présente une empreinte plus compacte et ne nécessite pas de composants externes pour le traitement. I²S peut également fournir une meilleure qualité de signal sur de plus longues distances, ce qui en fait un meilleur choix que PDM lorsque les circuits de traitement et de microphone ne sont pas les uns à côté des autres sur le circuit imprimé. Cela étant dit, I²S n'a pas été spécifiquement conçu pour la transmission sur des câbles ou d'autres dispositifs de transmission. Il ne faut donc pas pousser à l'extrême car de nombreux dispositifs n'auront pas l'adaptation d'impédance appropriée. Au final, des recherches supplémentaires sur les exigences de l'application, les composants disponibles et les débits de données prévus seront nécessaires pour prendre une décision finale.

Résumé

Les microphones MEMS continuent d'être utilisés dans une variété de dispositifs électroniques, et la sélection d'une interface appropriée, qu'elle soit analogique ou numérique, est cruciale pour obtenir les meilleurs résultats dans une application finale. Same Sky propose un vaste portefeuille de microphones MEMS permettant de répondre à un large éventail d'exigences en matière de systèmes audio. En plus des unités à interface analogique, divers microphones à interface numérique PDM ou I²S sont disponibles.