HDMI协议介绍（五）--Audio

基础知识

I2S(inter-IC sound bus)飞利浦公司制定的标准，既规定了硬件接口规范，也规定了数字音频数据格式。

硬件接口规范

        I2S接口有3个主要信号：

时钟信号 Serial Clock

        串行时钟SCK，也叫位时钟（BCLK），对应数字音频的每一位数据。SCLK的频率=2×采样频率×采样位数 

左右声道选择信号 Word Select

        WS信号有时也称帧时钟LRCK，用于切换左右声道的数据。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。LRCK的频率等于采样频率

数据信号 Serial Data

        串行数据SD在WS变化后的第一个SCK脉冲，先传输最高位MSB。

有时为了使系统间能够更好地同步，还需要另外传输一个信号MCLK，称为主时钟，是采样频率的256倍或384倍（具体倍数由codec决定）。

I2S 总线上同一时刻只能存在一个Master设备，提供时钟的设备是Master设备。

I2S接口模式

I2S硬件接口分为三种工作模式：

• I2S Phillips Standard I2S模式
• Left Justified Standard 左对齐模式
• Right Justified Standard 右对齐模式

左对齐模式：左声道数据MSB在WCLK上升沿之后BCLK的第一个上升沿有效；右声道数据MSB在WCLK下降沿之后SBCLK第一个上升沿有效。

右对齐模式：左声道数据LSB在WCLK下降沿前一个BCLK上升沿有效，右声道数据LSB在WCLK上升沿前一个BCLK上升沿有效。

左右对齐模式LRCK/WS高电平对应左声道，低电平对应右声道；而I2S模式低电平对应左声道，高电平对应右声道。

PCM

PCM (Pulse Code Modulation) 一种用数字表示采样模拟信号的方法。

Sampling（采样）

Sampling(采样)表示处理，实际上就是让采样数据能够完全表示原始信号，且采样数据能够通过重构还原成原始信号的过程。

• 蓝色曲线：表示音频原始信号。
• 黑色垂直线段：表示当前时间点对原始信号的一次采样
• 黑色点：表示采样获取的一系列离散样本。

采样率表示每秒采样的数量（单位：HZ），根据场景的不同，采样率也有所不同，采样率越高，声音的还原程度越高，质量就越好，同时占用空间会变大。

Quantization（量化）

原始信号采样后，需要通过量化来描述采样数据的大小。

量化处理过程，就是将时间连续的信号，处理成时间离散的信号，并用实数表示。这些实数将被转换为二进制数用于模拟信号的存储和传输。

上面的图片的例子是16bit位深量化过程。bit-depth（位深）：用来描述存储数字信号值的bit数，较常用的模拟信号位深如下：

• 8-bit：2^8 = 256 levels，有256个等级可以用于衡量真实的模拟信号。
• 16-bit：2^16 = 65,536 levels，有65,536个等级可以用于衡量真实的模拟信号。
• 24-bit：2^24 = 16,666,216 levels，有16,666,216个等级可以用于衡量真实的模拟信号。

可以看到，位深越大，对模拟信号的描述将越真实，对声音的描述更加准确。

TDM

TDM（Time Division Multiplexing）时分复用，PCM接口支持同时传输多达N个声道的数据。
Mode A：数据在FSYNC有效后，BCLK的第2个上升沿有效

Mode B：数据在FSYNC有效后，BCLK的第1个上升沿有效

PCM vs I2S

PCM硬件接口上传输的是PCM编码的数据，I2S上传输的也是PCM编码的数据，I2S不过是PCM接口的特例。

应用PCM音频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。

HDMI Audio

audio info frame

ACR

Audio Clock Regeneration 音频时钟重生成，Audio data是在HDMI Data Island周期以packet形式发送的，Data Island并没有发送Audio Clock，根据HDMI Spec规定，需要ACR来恢复Audio Clock。

TMDS Clock和Audio参考时钟（128倍采样率）的关系：

        128 · f S = f TMDS_clock · N / CTS

N值需要发送给sink端，sink端根据公式恢复Audio Clock。

N值与Audio 采样率以及video mode有关，有寄存器需要配置，CTS值可以手动配置也可以自动计算。

某款HDMI Controller支持的I2S接口，I2S属于PCM的一个特例，延迟一个clock。MSB高位对齐。

I2S的bitmapping

不同位宽的对齐方式

Audio调的不多，写得简单。