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
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。



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。




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。

放大器
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。

PDM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。

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。
表 1显示了如何选择DOUT信号模式。



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。


引脚说明



1.3 基础数字麦克风连接
单声道模式
在该模式下，LR引脚可以连接到Vdd或GND。

LR引脚连接到Vdd











1.4 PDM和PCM信号
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。



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。
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。



1.4.3 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。
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。

1.5 声学参数
1.5.1 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。

1.5.2 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。
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。

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）。

1.5.4 电源抑制比（PSRR）
PSRR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




1.7 可用的ST数字麦克风
表 4所示为可用的ST数字麦克风。



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