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PDM vs I²S: Comparación de interfaces digitales en micrófonos MEMS

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En este artículo divulgativo, Jeff Smoot, director de ingenieros de aplicación en CUI Devices, realiza una comparación entre los principales interfaces digitales para micrófonos MEMS, es decir, PDM vs I²S.

Si bien los micrófonos en sistemas integrados existen desde hace muchas décadas, el uso de micrófonos MEMS se ha expandido rápidamente desde su introducción.

Ese crecimiento se ve agravado por la explosión de aplicaciones basadas en la voz en el espacio del consumidor: en el hogar, en el automóvil y como dispositivo portátil.

Además de su huella significativamente reducida, menores requisitos de energía y mayor rechazo de ruido eléctrico, uno de los principales beneficios de los micrófonos MEMS es un aumento en las opciones de salida, lo que brinda una mayor flexibilidad a los diseñadores e ingenieros. Aunque las opciones analógicas todavía están disponibles, dos opciones de salida populares son los protocolos digitales de modulación de densidad de pulso (PDM) y la interfaz de sonido inter-IC (I2S).

Cada una de estas interfaces posee sus propias características distintivas, y ambas tienen ventajas y desventajas que los ingenieros deben comprender para una implementación adecuada del diseño. Al igual que con todas las decisiones de ingeniería, elegir entre estos dos protocolos requerirá que un diseñador examine las tecnologías y comprenda qué protocolo funciona mejor en las condiciones de cada aplicación.

Las consideraciones clave que deberán tenerse en cuenta al comparar las dos tecnologías son las siguientes:

  • Niveles de calidad de audio
  • Niveles de consumo de energía
  • Costos de lista de materiales
  • Las limitaciones de espacio a las que debe adherirse el diseño
  • El entorno operativo en el que se implementará el hardware

Modulación de Densidad de Pulso (PDM)

El protocolo PDM se utiliza para convertir un voltaje de señal analógica en un flujo digital modulado por densidad de pulso de un solo bit. Las señales PDM se parecen más a una onda longitudinal que a la onda transversal estereotipada asociada con el audio, pero son una representación digital de una señal analógica.

Protocolo de modulación de densidad de pulso (PDM)
Protocolo de modulación de densidad de pulso (PDM)

Como se puede ver en la figura anterior, la densidad de los bits altos aumenta a medida que aumenta la amplitud de la señal analógica y, en consecuencia, la señal digital permanece en su valor bajo durante más tiempo cuando representa el extremo inferior de la amplitud de la señal analógica. Esto produce una señal que brinda muchos de los beneficios de una señal digital y, al mismo tiempo, se correlaciona directamente con la señal analógica. La creación de esta señal PDM requiere frecuencias de muestreo más altas que las habituales (frecuencias superiores a 3 MHz), ya que los pulsos digitales deben ocurrir con mucha más frecuencia que la oscilación de la señal analógica que representan.

Debido a la naturaleza digital de la señal, PDM es mucho más resistente a los entornos eléctricamente ruidosos que una señal analógica y tiene una mayor tolerancia a errores de bit cuando hay degradación de la señal. La señal de alta frecuencia crea limitaciones de distancia, ya que el aumento de la capacitancia en líneas de transmisión más largas puede causar una atenuación no deseada y la consiguiente degradación de la calidad del audio. Estas señales también requieren un procesamiento adicional por parte de un DSP o microcontrolador externo con un códec apropiado para diezmar o reducir la muestra de la señal PDM a una frecuencia de muestreo más baja al pasarla a través de un filtro de paso bajo, lo que la hace utilizable para otros dispositivos.

Su concepto subyacente simple significa que los dispositivos PDM solo requieren dos señales y tienden a ser menos costosos, ocupan menos espacio y usan menos energía. Sin embargo, estas ventajas pueden verse contrarrestadas por los circuitos adicionales necesarios para procesar la señal procedente del dispositivo PDM.

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