音频I2S

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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