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一、模拟麦克风、ECM数字麦克风、MEMS数字麦克风
麦克风的演变，主要是这几大要求
- 小型化
- 抗干扰
- SMT焊接
- 抑制和消除环境噪声和通话回声等
这几点要求，就导致麦克风数字化趋势越来越明显。
如今的应用方案中，就算是使用模拟麦克风，也必然会加一个特定的音频芯片。
1.1 模拟麦克风
ECM 模拟麦克风通常是由如下几个部件组成
- 振膜
- 背极板
- 屏蔽外壳
- 结型场效应管（JFET）
1.2 ECM数字麦克风
ECM 数字麦克风通常是由如下几个部件组成
- 振膜
- 背极板
- 屏蔽外壳
- 数字麦克风芯片
- BUG缓冲级
- AMP放大级
- Filter低通滤波器
- ADC模数转
1.3 MEMS数字麦克风
MEMS 数字麦克风主要由如下几个部件组成
- MEMS传感器
- 半导体工艺制成的振膜
- 背极板
- 支架
- 充电泵
- 屏蔽外壳
- 数字麦克风芯片
二、PCM和PDM信号
2.1 脉冲编码调制PCM信号
在PCM信号中，具体的幅度值被编码为脉冲。
PCM流有两个基本属性，它们决定了流相对于原始模拟信号的保真度：
- 采样率
- 位深
采样率是为了以数字方式表示信号，每秒采集的信号样本数。位深决定了每个样本中信息的位数。
2.2 脉冲密度调制PDM信号
PDM是一种调制形式，用于表示数字域中的模拟信号。它是1位数字采样的高频数据流。
在PDM信号中，脉冲的相对密度对应于模拟信号的幅度。
- 大量的1s对应于高（正）幅度值
- 大量的0s对应于低（负）幅度值
- 交替的1s和0s对应于幅度值0
2.3 PDM到PCM的转换
为了将PDM流转换为PCM样本，需要对PDM流进行滤波和抽取。
- 滤波，低通滤波器，用于避免混叠导致的失真；
- 抽取，在每M个样本中选择一个，将采样率降低为1/M，M通常处于48至128的范围之内。
在STM32CubeExpansion_USBAudioStreaming扩展包中，每64个PDM数据转换成1个PCM数据。
/* PDM buffer input size */
/*each 64 pdm sample produce 16 PCM sample then required size of buffer in ms is
(FREQ*RES*N_CHANNELS/1000)/16*64)*/
#define PDM_BUF_SIZE(freq) ((((int)freq/1000)*64/8)*((DEFAULT_AUDIO_IN_CHANNEL_NBR)))
/* PCM buffer output size */
#define PCM_OUT_SIZE(freq) ((freq)/1000*2)
三、PCM和PDM应用
3.1 PCM典型应用
graph LR
STM32 -- I2S--- 音频IC
STM32 --IIC--- 音频IC
音频IC --DAC驱动--> 喇叭
音频IC --DAC驱动--> 耳机
音频IC <--ADC驱动--- 模拟麦克风
- STM32通过IIC对音频IC进行寄存器设置
- STM32通过I2S与音频IC进行音频数据传输，包括
- 音频播放，传输PCM数据
- 音频录制，接收PCM数据
这个方案相对简单，且性能强大，市面上大部分K歌直播麦克风都是这样子做的。
3.2 PDM典型应用
graph LR
STM32 -- SAI音频传输--- 音频IC
STM32 --IIC--- 音频IC
STM32 -- I2S音频接收--- MEMS数字麦克风
STM32 -- TIM4 PWM输出--- MEMS数字麦克风
音频IC --DAC驱动--> 喇叭
音频IC --DAC驱动--> 耳机
STM32通过IIC对音频IC进行寄存器设置STM32通过SAI传输音频数据给音频IC进行音频播放STM32通过I2S接收音频数据从MEMS数字麦克风的录音数据STM32通过TIM4给MEMS数字麦克风clk信号
STM32F446E-EVAL和STM32F769IDISCOVERY这两个开发板是这么做的。
- 这么做的坏处是，相对复杂！
- 这么做的好处是，如果不需要音频播放，只要音频录制。就能够省成本了。
3.3 再多说一点
WM8994也是一款很强大的音频芯片，也能做到PCM音频数据传输，如下。
