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。



5. 参考资料

        【1】数字音频接口:https://msd.misuland.com/pd/3691885030725917798
        【2】常用音频接口:TDM,PDM,I2S,PCM:https://www.crifan.com/common_audio_interface_tdm_pdm_i2s_pcm/
        【3】TDM 格式介绍 - 音频数据传输的常见 IC 间数字接口介绍:http://www.elecfans.com/video/yinpinjishu/20121210301406_2.html

6. 预告

        通过《常用数字音频接口介绍》这篇博文,相信大家已经初步了解了 I2S、PCM、PDM、TDM 这四种数字音频接口,后续我会持续更新 i.MX RT 系列芯片在 Audio 应用的博文,欢迎大家一起分享,并给出建议。

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