STM32 USB AUDIO 基础篇③——模拟MIC、ECM数字麦克风、MEMS数字麦克风、PDM、PCM的简介与差异

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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)

ECM模拟麦克风

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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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。 在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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。

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)
复制代码

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。 在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

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-EVALSTM32F769IDISCOVERY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。

在这里插入图片描述

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。 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

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人工智能
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