[嵌入式]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

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

• 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

• 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。

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