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承接上文設計建議，繼續(xù)介紹PDM接口的數(shù)字時鐘和帶寬。
數(shù)字麥克風需要一個來自主機設備的時鐘信號。時鐘設置麥克風二進制數(shù)據(jù)輸出的時間。允許的時鐘頻率在芯片的數(shù)據(jù)手冊中指定。PDM接口的帶寬受到時鐘頻率的限制，因為在較高的麥克風輸出信號頻率下，量化噪聲會增加。高時鐘頻率可使噪聲成形，即將噪聲從音頻頻率推到更高的頻率，從而由更高的時鐘頻率提供。過采樣比率(OSR，抽取因子)是PDM接口時鐘頻率與基帶采樣率的比率。一個典型的OSR是64，但沒有明確的標準。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣率必須是音頻帶寬(BW，最高使用音頻頻率)的兩倍。OSR和帶寬決定所需的時鐘頻率:
最小時鐘頻率需要為全音頻頻帶(20Hz - 20kHz)是2.56MHz (OSR 64)。常用的2.4MHz時鐘使一個18.75kHz音頻帶寬(與OSR 64)。
一些標準的音頻采樣率存在，例子可以在表4中找到。
使用高超聲頻率要求PDM接口時鐘頻率明顯高于可聽頻率。一個40kHz帶寬(與OSR 64)需要5.12MHz或更高的時鐘頻率。
左/右通道多路復用是通過使用上升和下降的時鐘信號邊緣來驅動兩個麥克風(通道)。多路復用的工作原理是，在每個時鐘邊緣，一個麥克風在傳輸，而另一個處于高阻抗狀態(tài)。例如，在上升時鐘信號上，數(shù)據(jù)通道維護(寫入)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上，數(shù)據(jù)進入高阻抗(HiZ)狀態(tài)。類似地，在一個下降的時鐘信號，通道DataR維護數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)進入高阻抗狀態(tài)。當處于高阻抗狀態(tài)時，麥克風對輸出數(shù)據(jù)線是電不可見的。這允許每個麥克風在另一個安靜地等待輪到它時(在HiZ狀態(tài))驅動數(shù)據(jù)線的內容。
圖8 L/R通道多路復用，在單一數(shù)據(jù)線上使用兩個麥克風
在將不同的麥克風模型或多個供應商的麥克風實現(xiàn)到同一設備時，確保它們的接口屬性允許它們無縫地協(xié)同工作是非常重要的。例如，當在一條數(shù)據(jù)線上使用兩個PDM麥克風時，它們的定時參數(shù)必須兼容。當然，麥克風系統(tǒng)和麥克風的計時也必須匹配。
圖9 在數(shù)據(jù)線上實現(xiàn)兩個麥克風的數(shù)字定時
(基于保密原則，這里省去部分具體產(chǎn)品參數(shù)列表)
除了定時參數(shù)，麥克風的IO(輸入/輸出)電壓水平也必須指定，以確保麥克風在系統(tǒng)中與其他麥克風一起工作。選擇正確的電平有助于減少數(shù)據(jù)錯誤(當麥克風實際輸出為0時，麥克風的輸出被解釋為1，或者反之亦然)。
數(shù)據(jù)線的屬性影響接口的功能。因此，傳聲器能夠驅動的數(shù)據(jù)線(Cload)上的最大輸出負載電容通常也在傳聲器數(shù)據(jù)表中指定。設備中的數(shù)據(jù)線應與所需的最大Cload兼容。
當麥克風處于待機模式時，麥克風的數(shù)據(jù)引腳通常被指定為處于高阻抗狀態(tài)。
PDM MEMS麥克風的輸出被轉換成模擬信號供人耳使用(通過低通濾波)或PCM(脈沖編碼調制)數(shù)字信號，在設備系統(tǒng)中傳遞。例如，DSP系統(tǒng)接受PCM作為輸入(但不能處理PDM)。轉換到PCM是由一個采用降頻數(shù)位濾波器根據(jù)過采樣率對信號進行采樣。采樣率降低增加了數(shù)字信號的字長，因此基帶率PCM信號不再是1位信號。典型的結果字長為16、20或24位。噪聲的可聽到頻率的混疊。必須使用降頻數(shù)位濾波器來防止PDM信號中的超聲波頻率。該濾波器系統(tǒng)系統(tǒng)可以包括在麥克風PCM輸出。PCM/I2S麥克風沒有PDM輸出麥克風那么受歡迎。
傳聲器的兩個關鍵參數(shù)是信噪比(SNR)和聲過載點(AOP)。這些參數(shù)反映了麥克風可以處理的最安靜的聲音(SNR)和麥克風可以檢測到的最大聲音，同時保持一個合理的失真水平(AOP;THD上升到10%以上的聲壓級)。通過結合這兩個參數(shù)，我們可以確定麥克風可以檢測的整個聲級范圍，從噪聲底部到過載點;
對于基于PCM的音頻系統(tǒng)組件，如ADC和編解碼器，動態(tài)范圍和信噪比的測量方法與麥克風信噪比有很大的不同。麥克風信噪比定義為聲輸入為94dBSPL的1kHz正弦波時和麥克風無聲輸入(底噪)時麥克風輸出的差值(單位為dB[A])。這是因為，麥克風信噪比是對麥克風自噪聲可聽性的測量，所以它是一個定義的聲學“真實世界”信號。
ADC或編解碼器的信噪比通常定義為最大輸入信號電平和最小輸入信號電平之間的差(單位為dB)。這種性能通常反映在所使用的數(shù)字編碼方案的位深度上，通常是16位、20位或24位。這意味著音頻組件的信噪比實際上與麥克風動態(tài)范圍的關系比麥克風信噪比更密切。
選擇的音頻元件和數(shù)字編碼方案必須具有與所使用的傳聲器的動態(tài)范圍相等或更大的信噪比/動態(tài)范圍。否則，這些音頻部件的噪聲地板將會主導系統(tǒng)，并不能實現(xiàn)麥克風的全部性能。比特數(shù)(N =字長)決定了基于PCM的ADC和編解碼器的動態(tài)范圍DR:
例如，對于16位系統(tǒng)，在上面的公式中插入16作為N，得到的動態(tài)范圍約為98dB。在實踐中，抖動使信噪比降低了約4分貝(抖動處理是有意添加的噪聲，用于隨機化量化誤差，從而使系統(tǒng)線性化并消除噪聲調制)。為了便于估計，上述方程可簡化為:DR[dB] = N * 6(不考慮抖動處理)。
所有的數(shù)字信號都用dBFS (dB相對于全尺度)測量。滿標度是數(shù)字編號系統(tǒng)中所能表示的最大數(shù)字。在PDM中，這用100%的1表示輸出。在數(shù)字MEMS麥克風中，AOP通常近似于0dBFS(全尺度)。所有其他輸出級別都指定為-xdBFS，表示它們低于full scale。動態(tài)范圍的編解碼器指定最低的dBFS級別，它可以通過。
如這里所示，麥克風和下游部件的全尺寸級別通常會與信號鏈動態(tài)范圍保持一致。然而，噪音地板卻不一定。這是因為0dBFS(全尺度)對于兩個系統(tǒng)是相同的，但是由音頻信號鏈使用的數(shù)字編號系統(tǒng)可能不能表示像麥克風噪聲地板那樣低的級別。這意味著，如果一個數(shù)字麥克風使用的數(shù)字編碼方案沒有使用足夠的比特來表示麥克風的噪聲底層，系統(tǒng)噪聲將不能反映麥克風的真實性能。
圖10 16位編碼對這個麥克風沒有足夠的動態(tài)范圍。系統(tǒng)的性能將受到音頻編碼方案的限制
如果高信噪比麥克風用于低動態(tài)范圍的音頻信號鏈(例如，16位)，系統(tǒng)不能保持麥克風的信噪比性能(見圖)。緩解這一問題的一種選擇是使用具有較低AOP的麥克風。這可以實現(xiàn)，例如，通過校準麥克風增加靈敏度，例如-26dBFS而不是-36dBFS。這將把AOP從130個dBSPL減少到120個。底噪的dBFS值會增加，但由于全尺寸值(0 dBFS)減少了相同的分貝數(shù)(在聲壓級上)，麥克風的底噪被保留。
圖11 再16位系統(tǒng)降低AOP以便允許高SNR實現(xiàn)
但是，如果同時需要高AOP (130dBSPL)和高SNR (69dB)，則必須使用20位或24位音頻信號鏈。
