摘要
PDM（Pulse Density Modulation）和TDM（Time Division Multiplexing）是数字音频系统中两种核心接口协议。PDM是MEMS数字麦克风的事实标准接口，而TDM则广泛应用于多声道音频SoC之间的音频数据传输。本文从信号原理、时序结构、时钟要求、应用场景出发，对两种接口进行系统性对比，并结合主流芯片型号给出选型建议，帮助硬件工程师在实际项目中做出正确选择。
1. PDM接口：数字麦克风的标准输出
1.1 信号原理
PDM是一种1-bit过采样调制接口，输出信号的密度（0或1的密度）直接代表模拟音频信号的幅度。与传统PCM（Pulse Code Modulation）不同，PDM不需要多bit量化，而是通过极高的过采样率（通常64倍或128倍）和噪声整形，将量化噪声推到人耳可听频段之外。
MEMS麦克风内部的ADC将模拟音频信号转换为PDM流，外部音频SoC通过低通滤波器（LPF）将其还原为PCM音频数据。
1.2 时钟与时序
PDM接口只需要两根信号线：
- DATA：数据线
- CLK：时钟线（通常支持1~4 MHz，有些麦克风支持高达6 MHz）
时钟由主设备（音频SoC）提供，麦克风在时钟的上升沿或下降沿输出数据。常见的相位配置为：
- 时钟上升沿采样（左声道）
- 时钟下降沿采样（右声道）
因此，一颗PDM麦克风可通过配置CLK相位同时传输立体声（左右声道分时复用同一根DATA线）。立体声模式下，常见配置为L/R声道在连续时钟边沿交替输出。
1.3 典型应用
- TWS耳机：单耳双麦（上下各一颗MEMS麦克风），所有麦克风均通过PDM连接到蓝牙音频SoC（如中科蓝讯AB5365A/B、昆腾微QT2050等）
- 智能音箱：多麦克风阵列（4麦、6麦甚至8麦），每颗麦克风独立PDM连接到主控芯片
- ANC头戴式耳机：前馈、反馈、环境音麦克风均采用PDM接口
- 车载语音前端：车载娱乐系统中的语音识别麦克风阵列
1.4 代表性芯片
| 型号 | 品牌 | 接口 | 灵敏度 | 信噪比(SNR) | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| Knowles SPH0645LM4H | Knowles | PDM | -26 dBFS | 65 dB | 底部收音，I2S版本可选 |
| Knowles SPH1665LM4H | Knowles | PDM | -26 dBFS | 65 dB | 顶部收音，薄型 |
| Goertek S1056 | 歌尔 | PDM | -26 dBFS | 64 dB | 高性价比 |
| AAC 33C25 | 瑞声科技 | PDM | -26 dBFS | 64 dB | 同上 |
| Bosch BMM855 | Bosch | PDM | -26 dBFS | 63 dB | 车规级 |
（注：以上参数参考各厂商公开数据手册，实际设计请以最新版本为准）
2. TDM接口：多声道音频数据总线
2.1 信号原理
TDM（时分复用）是一种在单一数据总线上传输多声道音频数据的技术。TDM帧由多个时隙（Time Slot）组成，每个时隙对应一个声道，固定时隙数量决定总声道数。常见配置：
- TDM4：4声道
- TDM8：8声道
- TDM16：16声道
与I2S相比，TDM的核心区别在于：I2S只有左右两声道，而TDM可以扩展到4、8、16声道，通过同步时钟（SYSCLK/BCLK）和帧同步（FS/WS）协调多设备。
2.2 时钟与时序
TDM接口通常包含4根信号线：
- TX/SD：发送数据
- RX/SD：接收数据（部分接口复用）
- BCLK：位时钟（Bit Clock）
- FS：帧同步（Frame Sync），也叫Word Select
时序示例（TDM8，48 kHz，24 bit，BCLK=48kHz×8×24=9.216 MHz）：
FS (一帧 = 1/48kHz ≈ 20.83μs)
│← 1 slot = 1/48kHz/8 ≈ 20.83μs →│← 1 slot →│← ... →│← 1 slot →│
Bit Clock: ├──→├──→├──→...├──→├──→...├──→├──→...├──→├──→...
Data: [24-bit Ch0] [24-bit Ch1] [24-bit Ch2] ... [24-bit Ch7]
2.3 典型应用
- 多声道音频Codec：专业声卡、解码器中DAC与DSP之间的音频数据传递
- 智能音箱麦克风板：麦克风阵列通过TDM总线将多路PDM数据汇聚后送给主控
- 车载音频：车内多个音频节点（收音、导航、语音）通过TDM总线传输
- PA（功率放大器）数字接口：数字功放与音频处理器之间的传输
- Soundbar与家庭影院：多声道音频在各个芯片之间流转
2.4 代表性芯片
| 型号 | 品牌 | 接口类型 | 声道数 | 采样率 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| TI PCM3168A | TI | TDM/I2S | 8ch ADC + 8ch DAC | 216 kHz | 专业音频Codec |
| AK7755 | AKM | TDM/I2S | 4ch ADC + 6ch DAC | 192 kHz | 音频处理SoC |
| WM8904 | Cirrus Logic | I2S/TDM | 2ch ADC + 2ch DAC | 48 kHz | 消费级，Class AB输出 |
| TAS5756 | TI | TDM/I2S | 2ch | 192 kHz | 数字功放Class D |
| MAX98357A | Maxim | I2S/TDM | 2ch | 96 kHz | 无需MCLK，I2S/TDM自动 |
（注：以上参数参考厂商公开数据手册）
3. PDM与TDM核心对比
| 对比维度 | PDM | TDM |
|---|---|---|
| 信号类型 | 1-bit过采样调制 | 多-bit PCM按时分复用 |
| 典型用途 | 麦克风输出 | 芯片间音频数据总线 |
| 时钟来源 | 主设备（SoC）提供 | 主设备（SoC）提供 |
| 声道扩展 | 立体声（2ch）每颗麦克风 | 总线级多声道（4/8/16ch） |
| 布线复杂度 | 低（仅2根线/麦克风） | 中等（4根线 + 总线共享） |
| 主设备要求 | PDM时钟生成 + LPF处理 | TDM时隙配置 + 时钟管理 |
| 典型比特率 | 1~6 Mbps（@64x过采样） | 固定声道×位深×采样率 |
| 多设备拓扑 | 星型（每麦克风独立） | 总线型（共享数据线） |
| 主要应用 | TWS耳机、阵列麦、智能音箱 | 声卡、DAP、车载音频、专业DSP |
| 代表接口标准 | MEMS麦克风行业事实标准 | I2S扩展，音频行业通用 |
3.1 关键区别详解
时钟架构：PDM的时钟由音频SoC产生，麦克风被动接收；而TDM总线上所有设备共享同一BCLK和FS，但每个设备在各自时隙发送数据。
数据处理位置：PDM数据需要在主设备端做低通滤波和抽取（Decimation）才能得到PCM数据，这通常由麦克风接口硬件（MICFIL）或DSP的硬件滤波器完成。TDM传输的已经是PCM数据，主设备直接使用，无需额外滤波。
系统延迟：PDM经过数字滤波和抽取，引入约0.5~1 ms的组延迟（Group Delay）；TDM总线延迟极低，通常在亚毫秒级别。这对ANC（主动降噪）应用中的麦克风信号同步有直接影响。
4. 应用场景与选型逻辑
4.1 选型决策树
需要连接多颗麦克风？
├── 是 → 麦克风阵列为TWS/智能音箱/ANC耳机？
│ ├── TWS单耳双麦 → PDM直连SoC（最简单可靠）
│ ├── 智能音箱4+麦阵列 → PDM麦克风 + TDM总线汇聚
│ └── ANC多麦 → PDM直连，优先选同批次（一致性）
└── 否 → 麦克风到Codec/SoC的连接
└── PDM（最通用方案）
需要传输多声道PCM音频？
├── 是 → 选TDM总线
│ ├── 声道数 ≤ 2 → I2S即可
│ └── 声道数 4~16 → TDM4/TDM8/TDM16
└── 否 → 确认接口兼容性后决定
4.2 具体场景选型建议
TWS耳机 推荐：PDM直连。每侧耳机1~2颗MEMS麦克风（通话+ANC），通过PDM接口直连蓝牙音频SoC（中科蓝讯AB5365B、恒玄BES2300、络达AB1562等）。不建议引入TDM总线，因为TWS空间极度敏感，多总线会增加布线复杂度和延迟。
智能音箱（4麦/6麦阵列） 推荐：PDM + TDM混合。麦克风板每颗麦克风独立PDM输出，通过TDM总线汇聚（如PCM3168A做TDM8转换），再以I2S/TDM连接到主控SoC。这种方案布线清晰，支持后续麦克风数量扩展。
专业声卡/DAP 推荐：TDM为主。内部多颗ADC/DAC/DSP之间通过TDM16总线连接，实现多声道音频路由。I2S仅用于两声道短距离传输。
车载音频主机 推荐：TDM。车载娱乐系统通常需要收音、导航语音、蓝牙电话等多路音频混合，通过TDM4/TDM8总线可以减少布线，同时满足车规级可靠性要求。
5. PCB设计注意事项
5.1 PDM布线
- 走线长度：DATA和CLK走线长度差控制在500 mil（约12.7 mm）以内，避免相位偏差导致数据采样错误。
- 阻抗匹配：CLK线建议串联22~47 Ω电阻，抑制过冲。
- 星型拓扑：多个麦克风共用同一CLK源时，每个麦克风的CLK走线应从主控IC的CLK管脚星型引出，避免总线拓扑的反射问题。
- 参考层：DATA和CLK走在同一信号层，紧邻地参考层走线。
5.2 TDM布线
- 总线长度匹配：TDM总线上所有设备的数据线、时钟线、帧同步线走线长度应控制在100 mil（约2.5 mm）以内。
- 阻抗控制：TDM数据线特征阻抗50 Ω，走线避免直角转弯，使用45°斜角或圆弧。
- 隔离电阻：长距离TDM总线（>10 cm）建议在发送端串联22 Ω电阻，减少反射。
- 隔离：数字音频TDM总线不与射频线（如天线馈线、BLE走线）平行走线，间距至少3W。
6. 常见问题FAQ
Q1：PDM麦克风可以直接输出I2S吗？
不能。PDM是过采样1-bit数据流，物理上无法直接转为I2S。需要在主控端通过数字滤波器进行抽取（Decimation），将PDM转为标准PCM（I2S/TDM）。大多数带MICIF接口的蓝牙音频SoC（如中科蓝讯、恒玄、络达的全系列）均内置硬件抽取滤波器，配置寄存器即可。
Q2：两颗不同品牌的PDM麦克风可以并联在同一总线上吗？
可以，但有条件。两颗麦克风可以共用CLK和DATA线组成立体声麦克风，此时需要配置相位使一颗在时钟上升沿输出（左声道），另一颗在下降沿输出（右声道）。注意：不同品牌麦克风的时钟占空比要求可能略有差异（通常要求40%~60%），设计时需确认数据手册。
Q3：TDM总线上设备数量有限制吗？
有限制，主要来自总线电容负载和时钟驱动能力。TDM总线通常支持1发4收~1发8收（驱动器驱动能力决定），超出后需加缓冲器（Buffer）或改用分布式时钟架构。电容负载建议不超过10 pF per node。
Q4：PDM和TDM可以互相转换吗？
可以。用一颗音频Codec（如PCM3168A）可以将多路PDM麦克风数据汇聚并以TDM格式输出给主控SoC。反过来，TDM总线上的多声道PCM数据也可以通过专用DSP进行抽取后转为PDM格式（但实际应用很少这样用）。
Q5：TWS耳机中ANC麦克风延迟影响大吗？
很大。ANC系统对麦克风到扬声器路径的总延迟要求通常在20 μs以内（混合主动降噪要求更高）。PDM本身约0.5~1 ms组延迟，加上SoC处理延迟，可能接近ANC极限。因此ANC耳机选型时应优先选择组延迟低的麦克风（如Knowles高端系列），并在系统层面优化音频路径。
7. 结论
PDM和TDM服务于数字音频系统的不同层次：PDM是数字麦克风输出的事实标准，特点是简单、2声道、适合星型连接；TDM是芯片间多声道音频传输的行业通用方案，特点是可扩展、多声道、适合总线型连接。
在芯片选型时，工程师应首先明确信号流向：麦克风输出用PDM，芯片间传输用TDM（或I2S）。混合系统中，两种接口往往共存——PDM负责采集，TDM负责汇聚，I2S负责最终输出到DAC/功放。理解两种接口的时钟架构和数据格式差异，是做出正确硬件设计决策的基础。
本文内容基于各芯片厂商公开数据手册整理，规格参数请以实际设计采用的最新版本为准。