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学习目标#xff1a;简单了解相关概念、相关协议。
1 概述 数字音频接口DAI#xff0c;即Digital Audio Interfaces#xff0c;顾名思义#xff0c;DAI表示在板级或板间传输数字音频信…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×16×21.4112 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LRCLKLeft 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
√ WS0表示选择左声道 √ WS1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 PDMPulse 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1PCM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。 ———————————————— 版权声明本文为CSDN博主「工作使我快乐」的原创文章遵循CC 4.0 BY-SA版权协议转载请附上原文出处链接及本声明。 原文链接https://blog.csdn.net/qq_22168673/article/details/128288954
