本文主要是介绍音频I2S,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
前言
基于网上资料对相关概念做整理汇总,部分内容引用自文后文章。
学习目标:简单了解相关概念、相关协议。
1 概述
数字音频接口DAI,即Digital Audio Interfaces,顾名思义,DAI表示在板级或板间传输数字音频信号的方式。相比于模拟接口,数字音频接口抗干扰能力更强,硬件设计简单,DAI在音频电路设计中得到越来越广泛的应用。图1和图2对比传统的音频信号和数字音频信号链的区别。
模拟音频
在传统的音频电路(图1)中有麦克风、前置放大器、模/数转换器ADC、数/模转换器DAC、输出放大器,以及扬声器,它们之间使用模拟信号连接。随着技术的发展和对性能考虑,模拟电路逐渐被集成到设备两端,信号链中各集成电路间将出现更多的数字接口形式。
数字音频
DSP通常都是数字接口的;换能器(Transducers, i.e. Mic & Speaker)、放大器一般而言只有模拟接口,但现在也正在逐渐集成数字接口功能。 目前,集成电路设计人员正在将换能器内的ADC、DAC和调制器集成到信号链一端,这样就不必在PCB上走任何模拟音频信号,并且减少了信号链中的器件数量。图2给出了一个完整数字音频接口的例子。
2、I2S接口
2.1、I2S特点
1、支持全双工/半双工
2、支持主/从模式
3、和PCM相比,I2S更适合立体声系统。当然,I2S的变体也支持多通道的时分复用,因此可以支持多声道。
2.2 I2S主要有三个信号
I2S是比较简单的数字接口协议,没有地址或设备选择机制。在I2S总线上,只能同时存在一个主设备和发送设备。主设备可以是发送设备,也可以是接收设备,或是协调发送设备和接收设备的其它控制设备。
在I2S系统中,提供时钟(SCK和WS)的设备为主设备。
图3是常见的I2S系统框图。在高端应用中,CODEC经常作为I2S的主控设备以精确控制I2S的数据流。
I2S包括两个声道(Left/Right)的数据,在主设备发出声道选择/字选择(WS)控制下进行左右声道数据切换。通过增加I2S接口的数目或其它I2S设备可以实现多声道(Multi-Channels)应用。
在I2S传输协议中,数据信号、时钟信号以及控制信号是分开传输的。
I2S协议只定义三根信号线:串行时钟信号SCLK(BCLK)、数据信号SD和左右声道选择信号WS。
(1)时钟信号 Serial Clock
串行时钟SCLK,也叫位时钟BCLK。SCLK是模块内的同步信号,Slave模式时由外部提供,Master模式时由模块内部自己产生。不同厂家的芯片型号,时钟信号叫法可能不同,也可能称BCLK/Bit Clock或SCL/Serial Clock
例如:设声音的采样频率为44.1 kHz,即声道选择信号(帧时钟)WS的频率必须也为44.1 kHz;左/右2个声道的量化深度均为16 bit,则I2S的SCK的频率为:44.1 kHz×16×2=1.4112 MHz
如果需要传输20 bit、24 bit或32 bit的左右声道的数据,可以提高SCK的频率,由上式可以计算出需要的SCK的频率。
(2)左右声道选择信号 Word Select
WS也称帧时钟,即LRCLK,Left Right Clock。WS频率等于声音的采样率。WS既可以在SCK的上升沿,也可以在SCK的下降沿变化。Slave设备在SCK的上升沿采样WS信号。数据信号MSB在WS改变后的第二个时钟(SCK)上升沿有效(即延迟一个SCK),这样可以让Slave设备有足够的时间以存储当前接收的数据,并准备好接收下一组数据。
WS是声道选择信号,表明数据发送端所选择的声道。当:
√ WS=0,表示选择左声道
√ WS=1,表示选择右声道
(3)数据信号 Serial Data
SD是串行数据,在I2S中以二进制补码的形式在数据线上传输。在WS变化后的第一个SCK脉冲,先传输最高位(MSB, Most Significant Bit)。先传送MSB是因为发送设备和接收设备的字长可能不同,当系统字长比数据发送端字长长的时候,数据传输就会出现截断的现象/Truncated,即如果数据接收端接收的数据位比它规定的字长长的话,那么规定字长最低位(LSB: Least Significant Bit)以后的所有位将会被忽略。如果接收的字长比它规定的字长短,那么空余出来的位将会以0填补。通过这种方式可以使音频信号的最高有效位得到传输,从而保证最好的听觉效果。
√ 根据输入或输出特性,不同芯片上的SD也可能称SDATA、SDIN、SDOUT、DACDAT、ADCDAT等;
√ 数据发送既可以同步于SCK的上升沿,也可以是下降沿,但接收设备在SCK的上升沿采样,发送数据时序需考虑
2.3、Master Clock
在I2S/PCM接口的ADC/DAC系统中,除了SCK和WS外,CODEC经常还需要控制器提供MCLK (Master Clock),这是由CODEC内部基于Delta-Sigma (ΔΣ)的架构设计要求使然。其主要原因是因为这类的CODEC没有所谓提供芯片的工作时钟晶振电路。它需要外部的时钟提供内部PLL。
如图8和图9所示:
图8 wolfson WM8960 Stereo AUdio CODEC芯片框图
图9 WM8960 时钟框图
2.3、典型I2S信号时序图
随着技术的发展,也出现了很多种不同的数据格式。根据data相对于LRCK海人SCLK位置的不同,分为I2S标准格式(飞利浦规定的格式),左对齐(较少使用)和右对齐(日本格式,普通格式),发送和接收端必须使用相同的数据格式。
左对齐:
右对齐:
3、PDM接口
PDM(Pulse Density Modulation)是一种用数字信号表示模拟信号的调制方法。同为将模拟量转换为数字量的方法,PCM使用等间隔采样方法,将每次采样的模拟分量幅度表示为N位的数字分量(N = 量化深度),因此PCM方式每次采样的结果都是N bit字长的数据。PDM则使用远高于PCM采样率的时钟采样调制模拟分量,只有1位输出,要么为0,要么为1。因此通过PDM方式表示的数字音频也被称为Oversampled 1-bit Audio。相比PDM一连串的0和1,PCM的量化结果更为直观简单。
在以PDM方式作为模数转换方法的应用接收端,需要用到抽取滤波器(Decimation Filter)将密密麻麻的0和1代表的密度分量转换为幅值分量,而PCM方式得到的就已经是幅值相关的数字分量。图20示意为通过PDM方式数字化的正弦波。
图17. PDM方式表示的正弦波
PCM方式的逻辑更加简单,但需要用到数据时钟,采样时钟和数据信号三根信号线;PDM方式的逻辑相对复杂,但它只需要两根信号线,即时钟和数据。PDM在诸如手机和平板等对于空间限制严格的场合有着广泛的应用前景。在数字麦克风领域,应用最广的就是PDM接口,其次为I2S接口。PDM格式的音频信号可以在比如LCD屏这样Noise干扰强的电路附近走线(等于没说,这里指数字信号抗干扰能力相比于模拟信号更强,同样PCM也具有此优势)。
通过PDM接口方式,传输双声道数据只要用到两根信号线。如图18示意两个PDM接口的发送设备与同一个接收设备的连接情况,比如Source 1/2分别作为左右声道的麦克风,通过这种方式可以将采集到的双声道数据传送到接收设备。主设备(此例中作为接收设备)为两个从设备提供时钟,分别在时钟的上升沿和下降沿触发选择Source 1/2作为数据输入。图19为Maxim的Class-D类型功放MAX98358对PDM接口时序的要求,可以看到它在PDM_CLK的上升沿采样左声道数据,在PDM_CLK下降沿采样右声道数据。
图18. PDM连接示意图(2发送设备 + 1接收设备)
图19. PDM时序框图
基于PDM的架构不同于I2S和TDM之处在于,抽取滤波器(Decimation Filter)不在发送设备,而在接收设备内部。源端输出是原始的高采样率(oversample)调制数据,如Sigma-Delta调制器的输出,而不是像I2S中那样的抽取数据(An I2S output digital microphone includes the decimation filter, so its output is already at a standard audio sample rate that’s easy to interface to and process.)。基于PDM接口的应用降低了发送设备的复杂性,由于作为接收设备的CODEC内部集成抽取滤波器,因此系统整体复杂度大大降低。对于数字麦克风而言,通过使用面向CODEC或处理器制造的更精细硅工艺,而非传统麦克风使用的工艺,可以实现更高效率的抽取滤波器。
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