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

素颜马尾好姑娘i 2022-09-09 04:57 1519阅读 1赞

### 文章目录 ###

*  一、模拟麦克风、ECM数字麦克风、MEMS数字麦克风
 *   *  1.1 模拟麦克风
     *  1.2 ECM数字麦克风
     *  1.3 MEMS数字麦克风
 *  二、PCM和PDM信号
 *   *  2.1 脉冲编码调制PCM信号
     *  2.2 脉冲密度调制PDM信号
     *  2.3 PDM到PCM的转换
 *  三、PCM和PDM应用
 *   *  3.1 PCM典型应用
     *  3.2 PDM典型应用
     *  3.3 再多说一点

# 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][ECM]

## 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

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## 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

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# 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。  
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## 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][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5bCP5bq35biI5YWE_size_17_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]

## 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 ##

I2S

IIC

DAC驱动

ADC驱动

STM32

音频IC

喇叭

耳机

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][69d95bfa7d994809b3414b1b2afde4e7.png]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2thbmd3ZWlqaWFu_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 3.2 PDM典型应用 ##

SAI音频传输

IIC

I2S音频接收

TIM4 PWM输出

DAC驱动

STM32

音频IC

MEMS数字麦克风

喇叭

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。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2thbmd3ZWlqaWFu_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 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][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5bCP5bq35biI5YWE_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5bCP5bq35biI5YWE_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]

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[ECM]: /images/20220829/a0d6c4f5207f497bacffb4bdefa4d7a4.png
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