引言
数字MEMS（微机电系统）麦克风专为需要小尺寸、高音质、高可靠性和高经济效益的音频应用而设计。
它们的封装尺寸小且噪声低，可在单个器件中实现多个麦克风，并通过提供免提人机界面、噪声消除和高质量音频捕获，促进了工业和消费类应用中音频技术的不断发展。
STM32 32位Arm® Cortex® MCU和STM32 Arm® Cortex®MCU提供各种音频功能和丰富的连接功能，包括串行接口和增强型声音捕获接口，使用户能够轻松地为基于麦克风的应用构建解决方案。
本文档针对具有脉冲密度调制（PDM）输出的数字MEMS麦克风，描述了如何在单声道和立体声配置中使用SPI/I2S、SAI和DFSDM外设将麦克风连接到STM32 MCU和MPU。本应用笔记提供指南和基于CubeMX的示例，这些示例展示了如何正确地配置STM32器件，以便采集并处理来自麦克风的原始数据，并将其转换为标准音频数据。

1 PDM数字麦克风概述
: r  [2 b, _: D- C本章提供PDM数字麦克风的简述和将其与STM32器件相连的基本案例。STM32 MCU和MPU是基于Arm®(a)的器件。
1.1 声音采集概述
数字MEMS麦克风是将声压波转换为数字信号的传感器。STM32 MCU和MPU通过特定外设从麦克风采集数字数据，这些数据经过处理并被转换为标准音频数据。然后，由微控制器按照目标音频应用处理音频数据。
0 m8 G6 ^0 D1 I' @9 P. T

# P4 o! ?. q0 b3 U4 v
1.2 PDM数字麦克风框图
数字麦克风中的主要部件是MEMS传感器、放大器和PDM调制器。



0 n2 B, j& j8 Y$ r" q1 o9 u
MEMS传感器
MEMS传感器是一个可变电容，将声波导致的空气压力变化转换为电压。
3 w6 B- |4 o- g+ x  [/ X, s* \$ M6 I
放大器
9 H# s- Q$ P$ n2 q& a+ ?放大器对MEMS传感器提供的电压进行缓冲，并向PDM调制器提供足够强的信号。

6 G" `9 t2 I& @- r  H7 ~3 W3 @3 lPDM调制器
, B5 m  N$ W1 Y9 V/ E1 sPDM调制器将缓冲模拟信号转换为串行脉冲密度调制信号。时钟输入（CLK）用于控制PDM调制器。ST数字麦克风的时钟频率范围在1 MHz至3.25 MHz之间。该频率定义生成离散时间表示（PDM比特流）的放大器模拟输出信号采样频率。
" S* n: q* j  n- x
5 O& E2 X) j. W& `1 `7 Y  D通道选择
2 |6 [' k" P2 a1 h7 j麦克风的输出被驱动至所选时钟边沿上的合适电平，然后进入高阻抗状态并持续另外半个时钟周期。通道选择定义数字麦克风输出有效数据的时钟边沿。LR引脚必须连接到Vdd或GND。
表 1显示了如何选择DOUT信号模式。
3 E! g$ O7 h' J

# z8 r& |5 n! ~" d, F- X$ E
8 ?& M1 T4 p1 {/ J( I/ w电源
* u1 Z: L9 k6 n8 H电源为不同数字麦克风组件供应Vdd和GND。由于任何波动都可能在输出上生成噪声，因此应提供正确的电源。
% S. r2 g1 z; Q: E' i  F+ W
& h6 Q0 S' Z5 P& w
: o/ t; D$ `4 j& G8 [引脚说明

+ [  y7 `; L! d, N1 V" \
$ b: X4 h! T9 a; P  ^& i4 B9 ]
6 t& d2 z( J# }1.3 基础数字麦克风连接
9 v1 Q* l/ Q1 b3 E8 ^3 H! {单声道模式
5 l$ g, G* x2 M7 v" f5 G6 ^在该模式下，LR引脚可以连接到Vdd或GND。
, Y; p8 z( i$ z; K0 @/ N7 x
LR引脚连接到Vdd

! o1 S& q1 @( j8 F) [- b* }
+ Q: P0 K, Q& v6 ]+ G4 I
# c! a* X" x( d; S7 i



+ R7 ^9 V  @) Y4 w3 N

- \0 W% s% v! n, f$ Q6 z3 x
+ _9 N2 M, L3 r1 z% u  v; u# `
1.4 PDM和PCM信号
1.4.1 脉冲密度调制（PDM）
6 A0 f8 t1 S2 [( m# e% j/ RPDM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'1'对应于高（正）幅度值，而大量的'0'对应于低（负）幅度值，交替的'1'和'0'对应于幅度值0。
6 |! |2 m6 m7 x9 t
" P8 w+ [9 y* I7 O
( K, ~8 c1 g8 i' v; B3 y
. ]0 }- t2 x5 M8 S# B# w1.4.2 脉冲编码调制（PCM）
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：
! e- V& z0 M# Z/ w• 采样率
' ^0 @) X, P" I9 o' s0 n' U• 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。

+ P& E+ q) n4 j4 E' T$ o, O0 n8 k! n
, V& \3 [9 `* ^; n* W; F- `
7 M9 e4 g0 ^8 V* C" d# H2 z1.4.3 PDM到PCM的转换
9 f# X! ]9 d3 c为了将PDM流转换为PCM样本，需要对PDM流进行滤波和抽取。
在抽取阶段，PDM信号的采样率降低至目标音频采样率（例如，16 kHz）。通过在每M个样本中选择一个，将采样率降低为1/M。因此，PDM数据频率（麦克风时钟的频率）是应用所需的目标音频采样频率的M倍，其中M为抽取因子。
PDM频率 = 音频采样频率 × 抽取因子抽取因子通常处于48至128的范围之内。
抽取阶段之前有一个低通滤波器，用于避免混叠导致的失真。
5 y: _. j" k9 b. j
1.5 声学参数
( K8 U8 A" X5 [2 B1.5.1 灵敏度
灵敏度是数字麦克风就给定声学参考信号输出的电信号的电平（单位为dBFS）。
通常使用1 kHz、1 Pa（或94 dBSPL）的音调作为参考信号给出麦克风的灵敏度。

5 X9 \! X" O3 h1.5.2 信噪比（SNR）
SNR表示在麦克风输出处，参考信号（94 dBSPL@1kHz）与残余噪声量之比。
1 `- K0 ^" @. o/ h7 H; O. @更高SNR可提供更高的语音清晰度和远端（免提听筒）可理解性。
( l6 f. T" C$ w8 V; j7 x7 D
* W% d8 P/ l8 b, |0 `1 w0 O1.5.3 声学过载点（AOP）
AOP是麦克风在失真可接受的情况下能够捕获的最大声学信号（一些规范允许声学过载点有最多10%的失真）。

. X% R0 d; y0 ~; N) G! r# n' Z5 H1.5.4 电源抑制比（PSRR）
6 Y$ E+ E2 T) K7 zPSRR参数量化了麦克风对电源变化所产生的噪声的抑制能力。

1.6 数字麦克风的附加价值


. Y  [8 N0 h! @2 G4 t! Z6 ~! t' H

1.7 可用的ST数字麦克风
$ p  d% f5 {( ^1 R+ U表 4所示为可用的ST数字麦克风。


9 F% H1 ~- w- k) z1 i% c$ o
4 L' u/ l: A1 f1 y* z完整版请查看：附件

很有参考价值，尤其是如何接入多个麦克风。