使用現(xiàn)成SoC實(shí)現(xiàn)的高質(zhì)量PDM麥克風(fēng)接口

什么是PDM，它在我的麥克風(fēng)中起什么作用?

PDM指脈沖密度調(diào)制，一種用來(lái)調(diào)節(jié)雙電平信號(hào)的格式之一，即在k概率下處于一種狀態(tài)，在1-k概率下則處于另一種狀態(tài)。如果狀態(tài)分別以1和0來(lái)表示，那么可視為某種“邏輯”信號(hào)，該信號(hào)值為k，可以是表示任意高精度的實(shí)數(shù)。

在脈沖密度調(diào)制中，信號(hào)活動(dòng)以同步到某時(shí)鐘(需要由解碼器提供)的脈沖形式存在。至少在理論上，這些脈沖的等寬與時(shí)鐘間隔相同，且信號(hào)值基本上要么為高電平要么為低電平。這些脈沖的瞬時(shí)密度即為所需信號(hào)的編碼，50%=無(wú)活動(dòng)，高于50%=正壓，低于50%=負(fù)壓。調(diào)制信號(hào)的頻率分量一般遠(yuǎn)低于時(shí)鐘頻率，比如麥克風(fēng)的音頻。

其他可用任意高精度分?jǐn)?shù)k來(lái)表達(dá)的在1和0之間交替的信號(hào)類型有：PWM，即脈沖寬度調(diào)制(此時(shí)改變的是1和0部分的相對(duì)寬度)和PFM。PFM不是意大利前衛(wèi)搖滾樂(lè)隊(duì)，而是一種通過(guò)修改連續(xù)等寬脈沖的頻率(F)來(lái)調(diào)整其平均值的方法。讀者可以練習(xí)計(jì)算F參數(shù)值。

現(xiàn)在不知讀者有沒(méi)有注意到我們已經(jīng)暗示了答案。對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，如果信號(hào)是由一串不斷改變密度、寬度或頻率的脈沖直接組成，那會(huì)相當(dāng)麻煩。這樣的信號(hào)中存在過(guò)多的高頻寄生信號(hào)。不過(guò)如果用足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)求得這樣的脈沖序列的平均值，就可以減輕這種變化造成的影響。

在PDM輸出麥克風(fēng)內(nèi)部，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)小型ADC IC(調(diào)制器)，其用于將MEMS傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為PDM信號(hào)流。這種眾所周知的音頻轉(zhuǎn)換器技術(shù)所生成的信號(hào)，其低頻頻譜接近所需音頻信號(hào)，而高頻寄生部分的頻率在某個(gè)拐點(diǎn)頻率之上隨頻率上升快速升高，基本落在最終產(chǎn)品需要使用的音頻頻率范圍之外。

在所有商用PDM麥克風(fēng)中，噪聲頻率以每倍頻超過(guò)24dB的速率陡增。圖1顯示了用于PDM應(yīng)用的ADC的典型輸出頻譜。該P(yáng)DM信號(hào)流的噪聲密度在100kHz~300kHz頻率范圍內(nèi)比在1kHz~3kHz頻率范圍內(nèi)要大80dB(相當(dāng)于增加了10000倍)。

圖1：PDM輸出麥克風(fēng)中轉(zhuǎn)換器的典型輸出噪聲頻譜

由于調(diào)制器的這種噪聲頻譜快速上升的特征，所以我們不能僅限于平均處理。平均只是實(shí)現(xiàn)正確濾波這一過(guò)程中最起碼的一步。要成功地充分消除這種高頻噪聲，使之不至于導(dǎo)致任何問(wèn)題，需要采取比平均更有確定性的措施。那就需要一種適當(dāng)?shù)臑V波器!可以看到，在典型PDM接口使用的簡(jiǎn)單平均法和高效率濾波方法之間，有著驚人的相似之處。

PDM接口的作用是什么?

簡(jiǎn)言之，濾波器。雙電平信號(hào)(在音頻域也稱1比特信號(hào))能夠通過(guò)快速改變其在時(shí)域上的屬性，表達(dá)低頻信號(hào)的微小變化。如果要消除全部這些高速時(shí)域噪聲，就需要采取另一種用雙電平信號(hào)表達(dá)微小變化的方法，即以幅度表達(dá)。換言之，在代碼域中而不是在時(shí)域中。

那么接下來(lái)就把PDM雙電平音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為PCM(脈沖代碼調(diào)制)多電平音頻信號(hào)。過(guò)去曾認(rèn)為使用16位提供的65536個(gè)電平即足以表達(dá)高質(zhì)量音頻信號(hào)。但現(xiàn)在實(shí)際上每個(gè)人都希望用24位表達(dá)，即在理論上把信號(hào)幅度范圍分為將近1,700萬(wàn)個(gè)電平。雖然很少有模擬系統(tǒng)能夠足夠低噪聲地真正實(shí)現(xiàn)這樣的分辨率。

PDM麥克風(fēng)的時(shí)鐘速率比一般期望的音頻采樣率要高得多。大多數(shù)PDM麥克風(fēng)的時(shí)鐘頻率(即脈沖頻率)為1MHz~3MHz。PDM前端采集的音頻帶寬一般為該頻率的百分之一，基本沒(méi)有噪聲，故要讓整個(gè)音頻帶寬處于低噪水平，需要的時(shí)鐘頻率應(yīng)超過(guò)2MHz。

那么如果1個(gè)引腳要3MHz時(shí)鐘，那么24個(gè)引腳是不是要24MHz時(shí)鐘呢?答案是不需要。如果濾波功能足夠強(qiáng)大，能夠消除足夠多的寄生高頻噪聲，就可以在濾波器輸出端進(jìn)行降采樣操作，這樣24位輸出字只會(huì)出現(xiàn)在“有規(guī)律”的音頻采樣率上。典型的抽取因數(shù)為64倍，這樣在3.072MHz頻率下1位輸入信號(hào)就會(huì)轉(zhuǎn)換為頻率為48ksps的24位輸出信號(hào)。由于降采樣抽取因數(shù)(64)高于“位增長(zhǎng)因數(shù)”(24)，實(shí)際每秒發(fā)生的數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)換次數(shù)有所下降，雖然并非刻意為之。

從實(shí)際工程設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，典型PDM麥克風(fēng)應(yīng)有電源引腳、接地引腳，當(dāng)然還需要時(shí)鐘輸入引腳、數(shù)據(jù)輸出引腳和通道選擇引腳。根據(jù)通道選擇引腳的狀態(tài)，麥克風(fēng)的輸出在時(shí)鐘信號(hào)處于低電平或高電平狀態(tài)為活躍狀態(tài)，在另一狀態(tài)下處于高阻抗。這種聰穎的設(shè)計(jì)意味著可以用一根話筒線多路復(fù)用兩個(gè)麥克風(fēng)，這樣立體聲PDM接口僅需兩根線纜，即時(shí)鐘輸出線纜和一根同時(shí)支持兩個(gè)聲道的數(shù)據(jù)返回線。任何使用這種類型的數(shù)字麥克風(fēng)接口的解決方案都會(huì)自動(dòng)解復(fù)用出現(xiàn)在輸入數(shù)據(jù)線上的兩個(gè)信號(hào)。

目前的PDM接口解決方案

近年來(lái)，音頻轉(zhuǎn)換器芯片制造商在自己的旗艦“移動(dòng)編解碼器”上紛紛推出PDM(或數(shù)字)麥克風(fēng)輸入。這種全集成芯片，可提供包羅一切的從麥克風(fēng)到耳機(jī)的完整信號(hào)路徑。這對(duì)此類廠商來(lái)說(shuō)，易如反掌。因?yàn)橐纛lADC的工作原理是生成1位或數(shù)位高采樣率輸入信號(hào)，然后“抽取”輸出信號(hào)降低采樣率。所以采用PDM麥克風(fēng)可以理想地充分發(fā)揮設(shè)備上原有邏輯電路的效益。

所以如果系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備采用全功能正價(jià)音頻編解碼器，這或許是一種不錯(cuò)的做法。是否美中不足呢?帶有數(shù)字麥克風(fēng)輸入功能的編解碼器的選擇范圍受限，所以如果不需要PDM，就有可能不能獲得某種良好功能或優(yōu)惠價(jià)格。此時(shí)得到的只是廠商已經(jīng)內(nèi)置的濾波功能。對(duì)此功能難以用自己的濾波器系數(shù)重新編程，來(lái)微調(diào)頻率響應(yīng)或音頻組延遲的各種特性。

如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)稍微偏離常規(guī)，就會(huì)受到?jīng)]有現(xiàn)成可用器件的制約。如果一定要用，首先應(yīng)拿到一份內(nèi)容相當(dāng)廣泛的濾波器基礎(chǔ)性能說(shuō)明文檔，其中包括數(shù)頁(yè)的頻率響應(yīng)圖。至少能看到要用的是什么樣的器件。但可能發(fā)生的情況是，一旦選定，這種IC又會(huì)以比管理層預(yù)想的速度更快地從新設(shè)計(jì)推薦產(chǎn)品中消失。

如果想要把此項(xiàng)功能更多地交給系統(tǒng)中的主處理器來(lái)完成，可能會(huì)得到微處理器廠商提供的應(yīng)用指南和代碼庫(kù)。中端32位微處理器足以勝任PDM的處理和濾波需求，雖然需要仔細(xì)查看是否還要把微處理器用于其他工作。

毫無(wú)疑問(wèn)，這種濾波功能對(duì)一般的嵌入式微控制器來(lái)說(shuō)是個(gè)難題。不僅如此，實(shí)時(shí)運(yùn)算還要求緩沖區(qū)大小、中斷時(shí)延及其它處理器任務(wù)的調(diào)度得到良好控制。

這明顯需要經(jīng)驗(yàn)豐富的編程人員才能完成。需要的代碼是專用的，庫(kù)文件是封閉的“黑匣子”式的，需要嚴(yán)格優(yōu)化的目標(biāo)代碼、在編譯器中手動(dòng)編譯且無(wú)法修改。如果庫(kù)文件不支持選定的抽取比例和輸出頻率組合，就難以進(jìn)行調(diào)整。例如，如果發(fā)現(xiàn)很難支持相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的44.1ksps音頻速率，就必須采用48ksps。這種情況會(huì)造成某些手機(jī)制造商不滿。對(duì)此事我們不作評(píng)論。

此外，很難對(duì)處理路徑的性能進(jìn)行詳細(xì)的診斷檢查。微控制器廠商在交付高質(zhì)量音頻解決方案方面一貫聲名狼藉(請(qǐng)參閱關(guān)于USB音頻系統(tǒng)的《謹(jǐn)慎選擇USB音頻微控制器：測(cè)試臺(tái)上的驚險(xiǎn)故事》)。

所以一般來(lái)說(shuō)不得不干脆相信信號(hào)的音頻內(nèi)容會(huì)得到良好的處理。如果只是設(shè)計(jì)具有某種語(yǔ)音識(shí)別能力的小配件，這算不上什么問(wèn)題。但如果要設(shè)計(jì)的是用于高質(zhì)量應(yīng)用的先進(jìn)超小型麥克風(fēng)，就會(huì)陷入信噪比泥潭而無(wú)法自拔。