前言
隨著智慧型手機、真無線藍牙耳機（TWS）、穿戴式裝置與物聯網（IoT）設備的蓬勃發展，微機電系統（MEMS）麥克風在硬體設計中的應用已變得無所不在。其中，PDM（Pulse Density Modulation，脈衝密度調變）數位介面 憑藉著極佳的抗干擾能力與系統整合的便利性，迅速超越傳統類比介面，成為目前業界的絕對主流。
然而，為了確保產品最終的出貨品質，並讓後端的主動降噪（ANC）或陣列波束成形（Beamforming）等語音演算法發揮最佳效能，如何精準、客觀地進行 PDM 麥克風的聲學量測，便成了每一位電聲工程師必須克服的挑戰。
本文將梳理 PDM 麥克風的歷史發展脈絡，並詳細解析實務上最核心的兩種量測手法：「PDM 轉類比（PDM to Analog）」與「PDM 轉數位（PDM to Digital）」。同時，我們將從工程角度客觀比較兩者的優缺點，並一窺 PDM 麥克風在最新市場中的應用現況。
一、 PDM麥克風的歷史與技術演進
現代數位聲學感測器的發展，源於早期電聲產業急需突破傳統 駐極體電容麥克風（ECM）的技術限制。過去數十年來，通訊設備高度依賴 ECM，使其佔據了市場的統治地位。然而，隨著消費性電子產品邁入極致的輕薄化，ECM 內部依賴塑膠與膠水的人工組裝結構，不僅無法承受自動化表面黏著技術（SMT）的高溫回銲製程，更面臨了微型化的物理瓶頸。
為突破這些組裝與體積限制，結合半導體微影蝕刻製程的 MEMS 麥克風應運而生。自 2003 年業界指標大廠 Knowles（樓氏電子）推出 SiSonic 系列表面黏著 MEMS 麥克風後，正式推動了整體聲學硬體產業的革命性演進。
在 MEMS 麥克風問世初期，市場仍以類比輸出（Analog Output）介面為主流。但隨著設備對 多麥克風陣列 與 高訊噪比（SNR）的需求劇增，純類比訊號在長距離電路板佈線上極易受到射頻（RF）與電磁（EMI）干擾的問題便浮上檯面。為了解決干擾問題，業界開始導入數位麥克風架構。不過，傳統的 脈衝編碼調變（PCM）需要內建複雜的類比數位轉換器（ADC），這會導致麥克風晶片體積過大且功耗飆升。於是，業界最終選擇了 PDM 技術作為戰略解方。
PDM 本質上是一種「超取樣單一位元音訊（Oversampled 1-bit audio）」架構。傳統未經處理的單一位元系統理論訊噪比極低，但 PDM 結合了 極高的取樣率（例如標準音訊的 64 倍，約 3 MHz）與「雜訊塑形（Noise Shaping）」技術。這套機制能將量化雜訊推擠到人耳無法聽見的高頻頻段，並將複雜的降取樣與低通濾波運算，轉移到後端的音訊編解碼器（Codec）或數位訊號處理器（DSP）中執行。這樣的底層邏輯，造就了 PDM 麥克風內部特殊應用積體電路（ASIC）的極度簡化與微型化，使其成功稱霸現代消費性聲學市場。
二、 PDM to Analog 是什麼？如何建構量測鏈？
所謂的「PDM to Analog」，是指將高頻切換的單一位元 PDM 數位資料流，還原為原始連續類比電壓訊號的處理過程。
1. PDM to Analog 的物理原理
PDM 訊號的脈衝密度（高電位分佈的密集度）直接正比於原始類比訊號的振幅大小。因此，將 PDM 解碼為類比訊號的過程其實非常直觀：只需要讓 PDM 訊號通過一個 低通濾波器（Low-pass filter）即可。低通濾波器在此扮演了「訊號平均化（Averaging）」的關鍵數學角色。由於 PDM 訊號的基頻已經包含了完整的音訊資訊，只要濾除高頻的切換脈衝與被推擠到高頻的雜訊，就能平滑地重建出原始的類比波形。
2. 量測系統建構與執行方法
在實務工程上，最簡易的 PDM to Analog 轉換方式是搭建一個基礎的電阻電容（RC）低通濾波電路。針對這種量測方法，工程師需要執行以下核心步驟：
- 供電與時脈激勵： 由於 PDM 麥克風自身無法產生時脈，測試端必須提供極度穩定的直流電源（通常介於 1.8V 至 3.3V）以及主時脈訊號（例如 3.072 MHz）來驅動麥克風。
- 硬體低通濾波網路設計： 麥克風的 Data 腳位會輸出高頻 PDM 位元流，這些資料必須通過外部設計的 RC 低通濾波網路。針對邊緣切換極快的數位訊號，此濾波器必須具備足夠的頻寬餘裕，並確保電阻熱雜訊降至最低。
- 類比音頻分析儀擷取： 經過低通濾波還原出的類比音訊，可直接輸入傳統音頻分析儀的類比輸入端進行擷取。
- 計算標準指標： 取得類比電壓後，即可進行頻率響應、靈敏度與總諧波失真（THD）等常規聲學參數的計算。
3. 實務上的技術挑戰
然而，這種量測手法在精密實驗室中面臨著嚴苛的挑戰。PDM 訊號包含了極快速的邏輯電壓切換邊緣，這對類比濾波器的迴轉率（Slew rate）與高頻響應提出了極高的要求。如果低通濾波器設計不當，很容易引入額外的相位失真，或者無法完全濾除高頻量化雜訊。這會導致最終測得的訊噪比（SNR）或失真數據發生劣化——而這種劣化其實是來自外部解碼電路的缺陷，並非麥克風本身的效能問題。因此，這種方法通常僅限於研發初期的訊號快速確認，不適合用於產出精確的實驗室規格數據。
三、 PDM to Digital 是什麼？如何建構量測鏈？
相對於純類比解碼，「PDM to Digital」是指將單一位元的 PDM 訊號，透過純數位運算轉換為多位元脈衝編碼調變（PCM）訊號的專業數位訊號處理（DSP）過程。這也是現代音訊晶片與高階專業量測設備所採用的標準途徑。
1. 數位運算原理
在現代數位音訊系統中，PDM 訊號最終必須轉換為 PCM 訊號（例如 24-bit / 48 kHz），以便 DSP 執行主動降噪或波束成形演算法。這個轉換過程本質上是「降取樣（Decimation）」與「數位抗混疊濾波（Anti-aliasing filtering）」的結合。硬體上通常會使用無乘法器運算的串接積分梳狀濾波器（CIC Filter）來執行降取樣，搭配低通濾波器來消除高頻雜訊混疊。
2. 量測系統的硬體建構
在專業聲學量測領域，PDM to Digital 量測需要專屬的硬體介面輔助。目前市面上的主流音訊分析儀廠商，皆已推出相應的 PDM to Digital 訊號調理模組，以滿足 4 通道或 16 通道麥克風陣列 的多路全數位量測需求。 測試環境的組成包含：無響箱、待測麥克風、標準參考發聲器、自由音場參考麥克風、PDM to Digital訊號調理模組以及音頻分析儀（或電腦）。為了模擬真實的穿戴情境，也可能會搭配符合 IEC 標準的頭部與軀幹模擬器（HATS）進行量測。
3. 聲場校正與數位量測流程
數位聲學量測的核心在於將「聲壓級（dBSPL）」與「數位全幅比例（dBFS）」進行精準對齊：
- 聲場位準校正： 首先使用高精度的參考麥克風，將測試點的音壓精確調節至 94 dBSPL（等效於 1 Pascal 的音壓），建立標準參考位準。
- 參數設定： 將分析儀輸入介面切換為 PDM，設定對應的邏輯電壓、時脈方向（設定為 Out 以提供時脈）、時脈頻率、降取樣率（如 x64）以及資料邊緣（決定擷取左或右聲道）。
- 數據擷取： 啟動發聲器產生掃頻訊號，分析儀便會即時將麥克風回傳的 PDM 訊號進行硬體 CIC 降取樣，並在數位域中計算結果。
4. 關鍵聲學參數深度解析
透過全數位量測架構，工程師能精確分析各項核心指標：
- 數位靈敏度（Sensitivity）： 在 94 dBSPL / 1 kHz 激勵下，測得的數位輸出振幅（通常為負值，如典型的 -26 dBFS）。
- 訊噪比與動態範圍（SNR & Dynamic Range）： 測量麥克風在無響環境中的數位殘留底噪，結合靈敏度計算出訊噪比與動態範圍。
- 聲學過載點（AOP）： 測試外界聲壓大到讓麥克風 THD 達到 10% 時的極限音壓（如 120 dBSPL）。
- 電源拒斥比（PSR/PSRR）： 直接在 VDD 電源上疊加特定頻率的雜訊波形，精準評估 ASIC 晶片對電源雜訊的抵抗能力。
- 陣列相位與群延遲（Phase and Group Delay）： 利用 PDM 16 模組同時擷取多通道資料，精確比對各麥克風之間的相位差與群延遲，確保演算法能正確運作。
四、 比較 PDM to Analog 和 PDM to Digital 的優缺點
這兩種解碼途徑在聲學量測與工程實務上，有著截然不同的應用價值：
1. 系統建置成本與硬體複雜度
- PDM to Analog 的優勢： 最大的優勢在於硬體建置成本極低，且儀器相容性極高。只需基礎被動元件即可完成解碼，讓一般的示波器也能進行初步驗證，直觀的類比波形也非常便於硬體工程師進行基礎除錯。
- PDM to Digital 的劣勢： 系統建置的門檻較高，必須採購專屬的數位音頻分析介面（如 APx PDM 模組），且測試人員需要具備數位音訊時脈與超取樣理論的專業知識。
2. 信號完整性與抗干擾能力
- PDM to Analog 的劣勢： 類比信號在電路板傳輸過程中，極易拾取環境中的電磁與射頻干擾。此外，外部類比濾波器的元件公差會直接影響量測的精準度，導致數據無法達到實驗室的嚴苛要求。
- PDM to Digital 的優勢： 在純數位領域進行降取樣與濾波運算，確保了信號處理的絕對精準度。高邏輯準位的數位資料流對外界干擾具有極高的免疫力。透過高階分析儀的 FFT 頻譜，還能清晰觀察超出音頻帶的高頻量化雜訊，深入評估麥克風內部的雜訊塑形效能。
3. 佈線靈活性與陣列多工應用
- PDM to Analog 的劣勢： 每顆麥克風都需要獨立的類比訊號線與濾波電容，佔用極大佈線空間，對多通道陣列設計極度不利。
- PDM to Digital 的優勢： 數位介面允許多通道訊號多工傳輸。例如兩顆 PDM 麥克風可共用同一條時脈與資料線，分別在時脈的上升沿與下降沿傳送資料，大幅簡化了系統佈線與量測接線的複雜度。
總結來說，雖然 PDM to Analog 在研發早期具備快速除錯的低成本優勢，但 PDM to Digital 憑藉其無與倫比的信號純淨度、抗干擾能力與陣列擴展性，已成為業界驗證高階 MEMS 麥克風的唯一標準解決方案。
五、 市場應用現況與未來展望
憑藉著卓越的數位抗干擾能力、微型化封裝以及高度相容於自動化回銲製程的優勢，PDM MEMS 麥克風已徹底滲透現代科技的各個層面。
1. 智慧型手機與行動運算裝置
為了追求極致的內部空間利用率與電池續航力，現代高階旗艦手機通常會配備三至四顆以上的 PDM 麥克風。它們被廣泛應用於實現立體聲錄音、通話環境降噪（ENC），以及遠場語音助理喚醒等核心功能。
2. 真無線藍牙耳機（TWS）與穿戴設備
TWS 耳機內部空間極度受限，聲學感測器必須緊鄰高頻藍牙天線，傳統類比麥克風極易受到射頻雜訊干擾，而 PDM 麥克風完美解決了這個痛點。同時，為了實現高階的主動降噪與通透模式，系統需要極低延遲與極佳相位匹配的麥克風陣列，PDM 技術結合高效能濾波器，能將音訊延遲降至微秒等級。
3. 智慧音箱與物聯網（IoT）
智慧音箱高度依賴環形多通道麥克風陣列進行 360 度的遠場語音拾取與波束成形。透過分析各顆 PDM 麥克風接收聲音的微小時間差與相位差，DSP 能精準計算出使用者的方位並抑制背景噪音。MEMS 在半導體製程下展現的極致個體聲學一致性，正是這些演算法得以成功的穩固基石。
4. 超聲波感測的新興趨勢
除了人類可聽見的常規音頻範圍，部分特殊設計的 PDM 麥克風已能捕捉高達 80 kHz 甚至 100 kHz 以上的超聲波頻段。透過提高時脈頻率，這些元件正被積極應用於非接觸式手勢辨識、室內人員偵測，以及工業機台的預防性維護監測。PDM 技術正跨越純語音領域，邁向全面聲學感測網的新時代。
結語
從基礎的單一元件到複雜的 16 通道麥克風陣列，PDM 數位麥克風的量測技術正不斷挑戰物理與演算法的極限。唯有深入掌握 PDM 的轉換原理與高階量測儀器的操作，才能精確把關產品品質。如果對PDM麥克風的量測有其他任何疑問，歡迎隨時與我們聯繫討論！