1.方醒川、2.张善权
广东省质量监督电声产品检验站，江门，529000
摘要：分析目前数字传声器的主流接口PDM通信特点，介绍基于AP音频分析仪实现对PDM接口数字传声器主要特性的测量方法。
关键词：客流统计系统方案数字；传声器；PDM；测试
中图分类号：TN641文献标识码：立体巴士A
引言
人工智能已悄然改变我们的生活，而作为智能设备“耳朵”的传声器(俗称麦克风)被广泛应用。显然，数字传声器在智能语音领域已取代传统模拟传声器的地位而成为主流。但因其数字接口与传统音频分析设备接口不兼容，给数字传声器特性的测试及标准化带来了诸多不便。Audio Precision 是声学和音频测试领域的知名制造商，其推出的PDM接口测试模块
为PDM接口数字传声器的设计和测试提供了便利。
1 数字传声器的主要特性指标
在考核数字传声器的性能时，较为关键的声学性能指标包括灵敏度、频率响应、总谐波失真、指向性、信噪比、最大声压级（或AOP，声学过载点）、电源抑制比等。
1）灵敏度：表示传声器声电转换效率的指标，等于自由声场中，传声器在频率为1kHz的1Pa声压下与声源正向时所测得的数字输出信号幅度。单位记为 dBFS（dB Full Scale），代表相对于数字满量程的分贝数。目前行业内数字传声器的灵敏度范围一般在-26dBFS～-41dBFS，常见的为-26dBFS。灵敏度可调。
2）频率响应：指传声器在自由场恒定声压不同频率声波作用下所测得的数字输出信号幅度。单位记为 dBFS。目前行业内数字传声器的频率响应一般在±2dB（100Hz～10kHz）。
3）总谐波失真：由于数字传声器的非线性，输出信号比输入的音频信号多出额外的谐波成分，这些多余出来的谐波分量的均方根值与实际输入信号（基波）之比表示为总谐波失真，
单位以百分比表示。目前行业内数字传声器的总谐波失真相对范围一般在 0.2 %～ %。测试传声器的总谐波失真是应确保测试声源的失真相对小。
4）指向性：在规定的频率或窄频带内，表示以声波入射角为函数的传声器自由场灵敏度级曲线。数字传声器主要应用于语音及噪声识别，目前行业内的数字传声器较多的为全指向类型，表示不同角度对传声器的输出影响较小。
5）信噪比：表示为数字传声器在输入声压为94dB下的输出信号幅值与无声音输入时的输出信号幅值（本底噪声）之比,噪声测试加A计权，因此单位记为dB(A)。也可以采用归一化换算为dBFS，但这种表示方式一般较少。信噪比是数字传声器的关键性指标，目前行业内信噪比在60dB～70dB。对于数字传声器，信噪比越高性能越好。
6）最大声压级：指传声器在规定失真限制条件下测得的最大输入声压，也表示为声压过载点（AOP）。测量一般在10%失真以下条件测量，也有很多厂家表示为1%失真条件下的最大声压级。最大声压级是传声器的极限使用值，行业内最大声压级一般为120dB，基本都可以满足大部分语音识别和噪声采集场合。也有一些低灵敏度的数字传声器的最大声压级可达130dB，应用于特殊高声压采集的情况。
7）电源抑制比：是输入电源变化量（以伏为单位）与转换器输出变化量（以伏为单位）的比值，常用分贝表示。对于高质量的D/A转换器，要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时，对输出的电压影响极小。通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源纹波抑制比。
表1体现了数字传声器声学性能指标的常见参数。
表1 数字传声器的常见参数
序号 | 指标名称 | 单位 | 常见指标参数 |
1 | 灵敏度 | dBFS | －26～-41,典型值－26 |
2 | 频率范围 | Hz | 100～10k |
3 | 毛纺织品总谐波失真 | % | 0.2～（94dB SPL） |
4 | 指向性类型 | —— | 一般为全指向 |
5 阶梯教室 | 信噪比 | dB | 60～70 |
6 | 最大声压级（或AOP） | 羊毛鞋垫dB | 120～135（10%THD,1kHz），典型值120 |
7 | 电源抑制比 | dB | 120～135（10%THD,1kHz），典型值120 |
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自动打饭机可以注意到，数字传声器灵敏度和模拟传声器灵敏度的定义是有差异的，单位分别为dBFS和dBV，这就是数字域电平和模似域电平定义的差别。传声器灵敏度一般都在1kHz正弦波、94dB声压下测试，对于模拟传声器，输出信号大小的唯一限制实际上是系统电源电压的限制。但数字传声器的灵敏度就没有这么大的空间，其取决于一个设计参数，即最大声压级。只要将满量程数字映射到传声器的最大声压级，则灵敏度一定是94 dB参考声压与该最大声压级之差。例如，一个数字传声器的最大声压级为120dB，则其灵敏度为–26dBFS （94dB－120dB）。除非将最大声压级降低相同的量，否则无法通过调整设计提高灵敏度。与灵敏度相比，数字传声器的信噪比、动态范围、电源抑制比和总谐波失真等指标或许能更好地体现传声器性能的优越性。
2 数字传声器的接口介绍
在数字麦克风领域，应用最广泛的是PDM接口，其次为I2S接口。从调制方式来看，I2S是通过等时间隔（即采样率时钟周期）采样将模拟信号数字化的方法，而PDM则采用密度调制的方式使用更高的采样时钟来调制模拟分量，只有1位输出，要么为0，要么为1。以下图1表示为4 bit 采样深度的I2S数据量化示意图，图2为PDM方式数字化的正弦波。
图1 等时间隔采样
图2 密度调制采样
在I2S传输协议中，数据信号、时钟信号以及控制信号是分开传输的。I2S协议只定义三根信号线：时钟信号SCK、数据信号SD和左右声道选择信号WS。而PDM只需要两根信号线，即时钟和数据，并可通过时钟上升沿和下降沿分别传送左声道和右声道两组数据。基于PDM的架构不同于I2S之处在于，抽取滤波器不在发送设备，而在接收设备内部。源端输出是原始的高采样率（oversample）调制数据，如Sigma-Delta调制器的输出，而不是像I2S中那样的抽取数据。基于PDM接口的应用降低了发送设备的复杂性，由于作为接收设备的CODEC内部集成抽取滤波器，因此系统整体复杂度大大降低。
3 PDM接口数字传声器的测试方法
在数字传声器发展初期，由于接口的不统一，对数字传声器的测量带来了一定的难度。很多情况下需要通过对应的数模转换板将数字信号转为模拟信号再进行测试。随着数字传声器的广泛应用，数字传声器接口的规范化，促使很多声学测试设备直接配备数字传声器的测试接口，如美国知名音频测试设备供应商Audio Precision在其最新版APX5系列PDM测试模块可以用于直接测量PDM数字传声器产品性能。
以下主要基于具有PDM接口测试功能的APX5系列讲述PDM接口传声器的测试方法。
由于APX5系列分析仪的PDM接口模块属于可选配件，而这可选件又分为具有输入输出通道的PDM接口模块和只具有16通道输入的PDM测试模块两种，这对于数字传声器阵列测量提供了更便利的测试条件。但需要注意的是，由于传声器的声学特性要求在全消声室内进行，测试仪器一般放置在消声室外面，这导致数字传声器的输口到测试设备接口的连接线较长。PDM测试模块提供的BNC接口可直接支持长达10m的BNC测试延长线材，但使用16通道的PDM16测试模块，则需要配合模块的远程接口盒和延长电缆才能保持PDM信号的完整性，确保测量系统的性能。图3为APX5系列的16通道PDM接口模块和双通道模块的接口
图。
图3 APX5系列可选PDM接口模块
1）传声器接口与分析仪PDM接口的连接。事实上，测试PDM数字传声器并不需要用到PDM模块的输出接口，只需要将数据接口和时钟接口分别与PDM模块INPUT和BIT CLOCK连接，如果需要测试电源抑制等参数，则需要使用PDM模块的电源输出接口给数字传声器供电。
2）将分析仪配置为声音输入（以测量测试麦克风的声压）。
3）分析仪的输出设为声模式（Acoustic Mode），将声音生成器以 dBSPL为单位调整到参考幅度和参考频率（例如1kHz 频率94dBSPL声压级）。
4）采用APx 声学响应测量在试验点测量声频响应幅度。重复测量几次以确保一致性。
5）导出步骤4中的“相对电平”结果，并将其用于声音生成器的EQ输出，使频率响应幅度在试验点处保持平坦。检查声输出电平，如有需要，重复输出调节（步骤3）。
6）将输入连接器更改为PDM16，可根据需要配置设置。当APx是时钟主机时(测量MEMS麦克风的典型用例),时钟速率从128kHz到24.576 MHz连续可变,在APx音频测量软件时钟速率和插值/抽取率中设置的PDM模块输出设置,精度为3ppm。这支持从4kHz到216kHz的采样率,具有33种不同的插值率(从x16到x800)和45个单独的抽取率(从x1到x800)。当外部设备是时钟主机时,APx接受相同的时钟范围。输入和输出都可以单独配置为主调制器或从器件,并且可以将内置调制器设置为第4个或第5 个顺序操作。
逻辑电平和外部电源电压在0.1V步长中可变,允许测试超出典型器件的范围。这些器件是独立设置的,逻辑电平设定为0.8 V至3.3 V,电源控制(Vdd)可调至0.0 V至3.6 V),支持217 Hz方波和可调。此外,交流信号也可以添加到外部电源,可实现自动测量电源抑制(PSR),支持217 Hz方波和可调节的GSM设备占空比。
图4为PDM16接口参数配置图。
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