数字音频接口(I2S,PCM/TDM)

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。

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，模拟电路逐渐被推到链路的两端（集成到设备内部），信号链中各集成电路间将出现更多的数字接口形式。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。

图1. 传统的音频信号链路

图2. 数字音频信号链路

1.1 I2S简介

I2S全称Inter-IC Sound, Integrated Interchip Sound，或简写IIS，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，例如编解码器CODEC、DSP、数字输入/输出接口、ADC、DAC和数字滤波器等。除了都是由飞利浦定义外，I2S和I2C没有任何关系。

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。

图3 I2S系统通信配置框图

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：时钟信号SCK、数据信号SD和左右声道选择信号WS。

时钟信号 Serial Clock
SCK是模块内的同步信号，从模式时由外部提供，主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

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

左右声道选择信号 Word Select
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
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。从设备在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），这样可以让从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。

1.2 I2S数据时钟（SCK）频率计算

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

2.1 PCM简介

PCM (Pulse Code Modulation) 脉冲编码调制是将模拟信号数字化的方法。原理是用一个固定的频率对模拟信号进行采样，采样后的信号在波形上看就像一串连续的幅值不一的脉冲(脉搏似的短暂起伏的电冲击)，把这些脉冲的幅值按一定精度进行量化，这些量化后的数值被连续的输出、传输、处理或记录到存储介质中，所有这些组成了数字音频的产生过程(抽样、量化、编码三个过程)。图11为4 bit 采样深度的PCM数据量化示意图。

2.2 信号定义

PCM接口与I2S相似，电路信号包括：

PCM_CLK 数据时钟信号
PCM_SYNC 帧同步时钟信号
PCM_IN 接收数据信号
PCM_OUT 发送数据信号
TDM/PCM与I2S接口对应关系见表1