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我们应该都知道声音是一种模拟信号如果想用于计算机就必须要将模拟信号转换为数字信号这样我们就能在计算机上存储声音了等待用户想播放的时候再将数字信号转换为模拟信号。声音的数字化需要经历三个阶段采样、量化、编码。
采样
是把时间上连续的模拟信号在时间轴上离散化的过程这里有采样频率和采样周期的概念采样周期即相邻两个采样点的时间间隔采样频率是采样周期的倒数。示意图如下图所示 蓝色代表模拟音频信号红色的点代表采样得到的量化数值。采样频率越高红色的间隔就越密集记录这一段音频信号所用的数据量就越大同时音频质量也就越高。
量化
位深度
位深度也叫位宽量化精度上图中每一个红色的采样点都需要用一个数值来表示大小这个数值的数据类型大小可以是4bit、8bit、16bit、32bit等等位数越多表示得就越精细声音质量自然就越好当然数据量也会成倍增大。常见的位宽有8bit或者16bit。
声道数
由于音频的采集和播放是可以叠加的因此可以同时从多个音频源采集声音并分别输出到不同的扬声器故声道数一般表示声音录制时的音源数量或回放时相应的扬声器数量。单声道Mono和双声道Stereo比较常见顾名思义前者的声道数为1后者为2。
编码
编码是整个声音数字化的最后一步其实声音模拟信号经过采样量化之后已经变为了数字形式但是为了方便计算机的储存和处理我们需要对它进行编码以减少数据量。常见的音频编码格式有PCM、PDM。
通过采样频率和精度可以计算声音的数据传输率数据传输率bps 采样频率 × 量化位数 × 声道数。
有了数据传输率我们就可以计算声音信号的数据量数据量byte 数据传输率 * 持续时间 / 8。
PCM编码
PCM (Pulse Code Modulation) 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 量化位数因此PCM方式每次采样的结果都是N bit长的数据。 PDM编码
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。
PDM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。 二.数字音频接口
数字音频接口全部是硬件接口是实实在在的物理连线方式即同一个PCB板上IC芯片和IC芯片之间的通讯协议。和音频编码格式完全是两回事。
数字音频接口有PCM、I2S、AC97、PDM I2S和PCMTDM接口传输的数据是PCM编码格式的音频数据 PDM接口传输的数据是PDM编码格式的音频数据
为直观的展示下图简单列举了数字音频接口硬件接线的一般场景图中AP指的应用处理器。 I2S总线
I2S总线是一种数字音频数据传输的串行连接在系统中用于设备之间的音频数据传输由飞利浦半导体发明现在被许多半导体厂商广泛使用。
用I2S总线的设备有ADC、DAC、DSP、CPU等。使用I2S接口我们可以将音频设备和嵌入式SoC平台连接在一起为系统提供音频接口解决方案。
和 I2C、 SPI 这些常见的通信协议一样 I2S 总线用于主控制器和音频 CODEC 芯片之间传输音频数据。I2S 接口需要3根信号线如果需要实现收和发那么就要 4 根信号线收和发分别使用一根信号线
I2S总线一般由1根系统时钟线和3根信号线组成
MCLK称为主时钟也叫系统时钟Sys Clock一般为了使系统间能够更好地同步时增加MCLK信号MCLK的频率 128或者256或者512 * 采样频率
SCLKBCLK串行时钟SCLK也叫位时钟BCLK即对应数字音频的每一位数据SCLK都有1个脉冲。SCK的频率 声道数 * 采样频率 * 采样位数
LRCK帧时钟LRCK(也称WS)用于切换左右声道的数据。LRCK为“1”表示正在传输的是右声道的数据为“0”则表示正在传输的是左声道的数据。LRCK的频率等于采样频率
SDATASD就是用二进制补码表示的音频数据。最高位拥有固定的位置而最低位的位置则是依赖于数据的有效位数。 PCM/TDM总线
PCM总线包括4根信号
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 和I2S接口差不多PCM接口是4根信号线通常用于AP处理器和通信MODEM之间传输语音数据就是双向打电话的数据。
特点效率高多达16路数据主要传输音乐传输PCM编码后的音频数据。
PDM总线
PDM总线只有两根信号线
PDM_CLK时钟信号
PDM_DATA 数据信号
特点信号线数量少只需两根多用于传输麦克风录音传输的是PDM编码后的音频数据不同于I2S接口和PCM接口。
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。
