常用数字音频接口介绍

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常用数字音频接口介绍

1. 前言

        通过小肥雪的博文《i.MX RT600 HiFi 音箱方案介绍》，相信大家都知道 NXP i.MX RT600 有 8 通道的 PDM 数字音频接口可以用来连接 8 个 DMIC，同时它也有 8 个 Flexcomm 可以配置为 8 通道 I2S 数字音频接口，那么就有小伙伴好奇啦，PDM 数字音频接口跟 I2S 数字音频接口究竟有啥不一样呢？接下来小肥雪就给大家细细道来~~~

        不同的音频传输场景对应着不同类型的接口。在同块电路板内部的 IC 芯片与 IC 芯片间音频数据的传输，常用的数字音频接口有 I2S、PCM、PDM、TDM。


2. I2S 数字音频接口
        I2S（Inter-IC Sound），是飞利浦在 1986 年定义（1996 年修订）的数字音频传输标准，用于数字音频数据在系统内部器件之间传输。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。下图是常见的 I2S 系统框图。


        I2S 包括两个声道（Left / Right）的数据，在主设备发出声道选择（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：时钟信号 SCK、数据信号 SD 和左右声道选择信号 WS。

        根据 SD 相对于 SCK 和 WS 位置的不同，I2S 可以分为三种不同的操作模式，分别为标准 I2S 模式（I2S Phillips Standard）、左对齐模式（Left Justified Standard）和右对齐模式（Right Justified Standard）。

3. PCM 数字音频接口

        PCM（Pulse Code Modulation）即脉冲编码调制，是通过等时间隔（即采样率时钟周期）采样将模拟信号数字化的方法，PCM 需要一个非常精确的时钟，对晶振的要求较高。下图为 4 bit 采样深度的 PCM 数据量化示意图：




        PCM 接口，说明接口传输的音频数据是通过 PCM 方式采样得到的，以区别于 PDM 形式。而 PCM 和 I2S 接口的区别于数据相对于帧时钟（FSYNC / WS）的位置、时钟的极性和帧的长度。其实，I2S 上传输的也是 PCM 类型的数据，因此可以说 I2S 接口不过是 PCM 接口的特例。相比于 I2S 接口，PCM 接口应用更加灵活。通过时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）方式，PCM 接口支持同时传输多达 N 个（N>8）声道的数据，减少了管脚数目。但 TDM 不像 I2S 有统一的标准，不同的 IC 厂商在应用 TDM 时可能略有差异，这些差异表现在时钟的极性、声道配置的触发条件和对闲置声道的处理等。PCM 接口的硬件拓扑结构也与 I2S 接口相近。下图表示应用 DSP 作为主设备控制 ADC 和 DAC 间数字音频流的例子。



        在各大厂商的数据手册上我们可以发现，在应用 PCM 接口传输单声道数据（如麦克风）时，其接口名称为 PCM，双声道经常使用 I2S；而 TDM 则表示传输两个及以上声道的数据，同时区别于 I2S 特定的格式。

        PCM 接口与 I2S 接口相似，电路信号包括：数据时钟信号 PCM_CLK、帧同步时钟信号 PCM_SYNC、接收数据信号 PCM_IN、发送数据信号 PCM_OUT，其中 PCM 与 I2S 接口对应关系如下表所示。





4. PDM 数字音频接口
        PDM（Pulse Density Modulation），即脉冲密度调制，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。下图为通过 PDM 方式数字化的正弦波。




        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。通过 PDM 接口方式，传输双声道数据只要用到两根信号线。下图表示两个 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（此例中的 Receiver）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。