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什么是PDM，它在我的麥克風中起什么作用？ PDM指脈沖密度調制，一種用來調節雙電平信號的格式之一，即在k概率下處于一種狀態，在1-k概率下則處于另一種狀態。如果狀態分別以1和0來表示，那么可視為某種“邏輯”信號，該信號值為k，可以是表示任意高精度的實數。 在脈沖密度調制中，信號活動以同步到某時鐘（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鐘間隔相同，且信號值基本上要么為高電平要么為低電平。這些脈沖的瞬時密度即為所需信號的編碼，50%=無活動，高于50%=正壓，低于50%=負壓。調制信號的頻率分量一般遠低于時鐘頻率，比如麥克風的音頻。 其他可用任意高精度分數k來表達的在1和0之間交替的信號類型有：PWM，即脈沖寬度調制（此時改變的是1和0部分的相對寬度）和PFM。PFM不是意大利前衛搖滾樂隊，而是一種通過修改連續等寬脈沖的頻率(F)來調整其平均值的方法。讀者可以練習計算F參數值。 現在不知讀者有沒有注意到我們已經暗示了答案。對許多應用來說，如果信號是由一串不斷改變密度、寬度或頻率的脈沖直接組成，那會相當麻煩。這樣的信號中存在過多的高頻寄生信號。不過如果用足夠長的時間來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輸出麥克風內部，可以發現一個小型ADC IC（調制器），其用于將MEMS傳感器輸出的模擬信號轉換為PDM信號流。這種眾所周知的音頻轉換器技術所生成的信號，其低頻頻譜接近所需音頻信號，而高頻寄生部分的頻率在某個拐點頻率之上隨頻率上升快速升高，基本落在最終產品需要使用的音頻頻率范圍之外。 在所有商用PDM麥克風中，噪聲頻率以每倍頻超過24dB的速率陡增。圖1顯示了用于PDM應用的ADC的典型輸出頻譜。該PDM信號流的噪聲密度在100kHz~300kHz頻率范圍內比在1kHz~3kHz頻率范圍內要大80dB（相當于增加了10000倍）。 圖1：PDM輸出麥克風中轉換器的典型輸出噪聲頻譜 由于調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。平均只是實現正確濾波這一過程中最起碼的一步。要成功地充分消除這種高頻噪聲，使之不至于導致任何問題，需要采取比平均更有確定性的措施。那就需要一種適當的濾波器！可以看到，在典型PDM接口使用的簡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？ 簡言之，濾波器。雙電平信號（在音頻域也稱1比特信號）能夠通過快速改變其在時域上的屬性，表達低頻信號的微小變化。如果要消除全部這些高速時域噪聲，就需要采取另一種用雙電平信號表達微小變化的方法，即以幅度表達。換言之，在代碼域中而不是在時域中。 那么接下來就把PDM雙電平音頻信號轉換為PCM（脈沖代碼調制）多電平音頻信號。過去曾認為使用16位提供的65536個電平即足以表達高質量音頻信號。但現在實際上每個人都希望用24位表達，即在理論上把信號幅度范圍分為將近1,700萬個電平。雖然很少有模擬系統能夠足夠低噪聲地真正實現這樣的分辨率。 PDM麥克風的時鐘速率比一般期望的音頻采樣率要高得多。大多數PDM麥克風的時鐘頻率（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，基本沒有噪聲，故要讓整個音頻帶寬處于低噪水平，需要的時鐘頻率應超過2MHz。 那么如果1個引腳要3MHz時鐘，那么24個引腳是不是要24MHz時鐘呢？答案是不需要。如果濾波功能足夠強大，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行降采樣操作，這樣24位輸出字只會出現在“有規律”的音頻采樣率上。典型的抽取因數為64倍，這樣在3.072MHz頻率下1位輸入信號就會轉換為頻率為48ksps的24位輸出信號。由于降采樣抽取因數（64）高于“位增長因數”（24），實際每秒發生的數據位轉換次數有所下降，雖然并非刻意為之。 從實際工程設計的角度來看，典型PDM麥克風應有電源引腳、接地引腳，當然還需要時鐘輸入引腳、數據輸出引腳和通道選擇引腳。根據通道選擇引腳的狀態，麥克風的輸出在時鐘信號處于低電平或高電平狀態為活躍狀態，在另一狀態下處于高阻抗。這種聰穎的設計意味著可以用一根話筒線多路復用兩個麥克風，這樣立體聲PDM接口僅需兩根線纜，即時鐘輸出線纜和一根同時支持兩個聲道的數據返回線。任何使用這種類型的數字麥克風接口的解決方案都會自動解復用出現在輸入數據線上的兩個信號。 目前的PDM接口解決方案 近年來，音頻轉換器芯片制造商在自己的旗艦“移動編解碼器”上紛紛推出PDM（或數字）麥克風輸入。這種全集成芯片，可提供包羅一切的從麥克風到耳機的完整信號路徑。這對此類廠商來說，易如反掌。因為音頻ADC的工作原理是生成1位或數位高采樣率輸入信號，然后“抽取”輸出信號降低采樣率。所以采用PDM麥克風可以理想地充分發揮設備上原有邏輯電路的效益。 所以如果系統已經準備采用全功能正價音頻編解碼器，這或許是一種不錯的做法。是否美中不足呢？帶有數字麥克風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惠價格。此時得到的只是廠商已經內置的濾波功能。對此功能難以用自己的濾波器系數重新編程，來微調頻率響應或音頻組延遲的各種特性。 如果系統設計稍微偏離常規，就會受到沒有現成可用器件的制約。如果一定要用，首先應拿到一份內容相當廣泛的濾波器基礎性能說明文檔，其中包括數頁的頻率響應圖。至少能看到要用的是什么樣的器件。但可能發生的情況是，一旦選定，這種IC又會以比管理層預想的速度更快地從新設計推薦產品中消失。 如果想要把此項功能更多地交給系統中的主處理器來完成，可能會得到微處理器廠商提供的應用指南和代碼庫。中端32位微處理器足以勝任PDM的處理和濾波需求，雖然需要仔細查看是否還要把微處理器用于其他工作。 毫無疑問，這種濾波功能對一般的嵌入式微控制器來說是個難題。不僅如此，實時運算還要求緩沖區大小、中斷時延及其它處理器任務的調度得到良好控制。 這明顯需要經驗豐富的編程人員才能完成。需要的代碼是專用的，庫文件是封閉的“黑匣子”式的，需要嚴格優化的目標代碼、在編譯器中手動編譯且無法修改。如果庫文件不支持選定的抽取比例和輸出頻率組合，就難以進行調整。例如，如果發現很難支持相當標準的44.1ksps音頻速率，就必須采用48ksps。這種情況會造成某些手機制造商不滿。對此事我們不作評論。 此外，很難對處理路徑的性能進行詳細的診斷檢查。微控制器廠商在交付高質量音頻解決方案方面一貫聲名狼藉（請參閱關于USB音頻系統的《謹慎選擇USB音頻微控制器：測試臺上的驚險故事》）。 所以一般來說不得不干脆相信信號的音頻內容會得到良好的處理。如果只是設計具有某種語音識別能力的小配件，這算不上什么問題。但如果要設計的是用于高質量應用的先進超小型麥克風，就會陷入信噪比泥潭而無法自拔。 |
