引言
7 y, e% w6 k: U% O9 r8 }7 L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。
; z5 J# m& f4 I; o9 I  `0 i6 Z; tSTM32 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。
( C$ I0 U, @; _" ]3 S+ U
! b7 v/ G  X4 b1 \& W1 PDM数字麦克风概述
% B. B, s; n9 L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
1 H* g4 @' ]6 d) l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。


6 k" F: j2 Q+ ~
1.2 PDM数字麦克风框图
$ ]7 u3 _7 ~# a& m# e9 X6 j. }. n数字麦克风中的主要部件是MEMS传感器、放大器和PDM调制器。


$ l; k7 I/ k, K/ E
  h7 G: p# A2 f7 k6 w
MEMS传感器
6 L; e( ]" ?6 B& Q% D  ?: X. xMEMS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。

2 i& Y1 f+ _' _( P& `% }) G, Z, l放大器
" T- O" b8 d; i0 G, z, k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。

0 q; ?1 x' k- W- N2 g7 S7 G2 WPDM调制器
PDM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。

9 {% Q4 J4 l4 E6 O; q  k. H通道选择
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。
9 d6 w. Y  i& ?* K7 J, n表 1显示了如何选择DOUT信号模式。
1 [. y& ^6 C5 E+ }$ B# F& h
" P" P4 d0 h- D8 \
8 W' B$ O0 k& G  q" ]
电源
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。

' o& G) I9 p! `; B( {
引脚说明

+ R1 \2 g0 T/ G
- v/ V! `9 K/ @' N5 y3 s( f. Q
1 h1 J) n! ]3 q& H4 Z1.3 基础数字麦克风连接
, X3 _- I! B/ @: L单声道模式
在该模式下，LR引脚可以连接到Vdd或GND。

% h; K- ~, n6 ~: t5 m+ X6 V( JLR引脚连接到Vdd


: w5 m1 q7 @8 p& m+ _! b
* ]+ Z9 e- ~# k" _# i
- O, u! N+ P" Y* Q6 i6 i
9 D4 k" L. ]9 |$ t* T. T7 |

% G) i! x  e. t  c5 N
- }. u, X" p- @9 p( ~: g5 g

' E* }; m+ M5 T8 ^, y
: m4 l8 v' \6 k1.4 PDM和PCM信号
% g( n+ _' t# l0 |1.4.1 脉冲密度调制（PDM）
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'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。
5 S1 y/ P% i/ k7 ]3 R9 t) u1 [6 i
' }6 |. g" O' o" T6 m
. ^, q1 k8 v" t6 |7 N
1.4.2 脉冲编码调制（PCM）
在PCM信号中，具体的幅度值被编码为脉冲。
7 z, s# T* J) r+ NPCM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
: q9 x, p+ q" l$ F  `: S: Q8 C+ A# r  n• 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。

$ ^0 I5 `- \, M6 D, p: k! `
# k/ O% w3 L/ t* }
& M' {! n3 i& Y7 A$ T1.4.3 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。
& O# ^( ^4 Z  r( `* ?4 @+ W( n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。
. [3 Z. P2 a5 O0 o8 p# d7 C1 F3 b
1.5 声学参数
1.5.1 灵敏度
" s0 k! G! ~) n+ Y6 I8 w1 ?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。

" ^3 F8 k3 o7 W" I) Y# W1.5.2 信噪比（SNR）
' W$ S% x/ O2 I7 a- |, cSNR表示在麦克风输出处，参考信号（94 dBSPL@1kHz）与残余噪声量之比。
; ~$ r$ `+ x) T- I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。
% B3 B. Y3 w' |8 a
1.5.3 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）。
/ K6 v/ a  v! w  m; L  H: A
1.5.4 电源抑制比（PSRR）
* o+ s8 h1 x8 o0 b7 wPSRR参数量化了麦克风对电源变化所产生的噪声的抑制能力。

, x' ^: a1 F1 U1 i1.6 数字麦克风的附加价值

$ ]( S4 Z. D9 H5 B+ ?& v
4 l$ S, r' Q& _( D
* J) D: K% Q8 b  s
- |% t7 B. V6 l0 Y+ p3 B1.7 可用的ST数字麦克风
表 4所示为可用的ST数字麦克风。
. S3 b0 N  c! D' @
+ `2 C. q, T0 [3 X" k& F
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9 a: K% j7 D/ B1 z4 |$ ?/ `6 j1 Z完整版请查看：附件
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很有参考价值，尤其是如何接入多个麦克风。