音頻信號和數(shù)字音頻信號鏈的區(qū)別

了解常用音頻接口，看這篇全了！

概述

數(shù)字音頻接口DAI，即Digital Audio Interfaces，顧名思義，DAI表示在板級或板間傳輸數(shù)字音頻信號的方式。相比于模擬接口，數(shù)字音頻接口抗干擾能力更強，硬件設計簡單，DAI在音頻電路設計中得到越來越廣泛的應用。圖1和圖2對比傳統(tǒng)的音頻信號和數(shù)字音頻信號鏈的區(qū)別。

在傳統(tǒng)的音頻電路（圖1）中有麥克風、前置放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC、輸出放大器，以及揚聲器，它們之間使用模擬信號連接。隨著技術的發(fā)展和對性能考慮，模擬電路逐漸被推到鏈路的兩端（集成到設備內(nèi)部），信號鏈中各集成電路間將出現(xiàn)更多的數(shù)字接口形式。DSP通常都是數(shù)字接口的；換能器（Transducers, i.e. Mic & Speaker）、放大器一般而言只有模擬接口，但現(xiàn)在也正在逐漸集成數(shù)字接口功能。目前，集成電路設計人員正在將換能器內(nèi)的ADC、DAC和調(diào)制器集成到信號鏈一端，這樣就不必在PCB上走任何模擬音頻信號，并且減少了信號鏈中的器件數(shù)量。圖2給出了一個完整數(shù)字音頻接口的例子。

傳統(tǒng)的音頻信號鏈路數(shù)字音頻信號鏈路

數(shù)字音頻信號的傳輸標準，如I2S、PCM (Pulse Code Modulation) 和PDM (Pulse Density Modulation)主要用于同一塊電路板上芯片之間音頻信號的傳輸；Intel HDA (Intel High Definition Audio) 用于PC的Audio子系統(tǒng)（聲卡）應用；S/PDIF和Ethernet AVB主要應用于板間長距離及需要電纜連接的場合。

本文主要介紹I2S, PCM和PDM等數(shù)字音頻接口，主要它們是板內(nèi)接口比較常用。

縮寫釋義

CAS:隨路信令,語音和信令在同一路話路中傳送的信令

CCS:共路信令,語音和信令分開傳輸

ASLA - Advanced Sound Linux Architecture

OSS - 以前的Linux音頻體系結(jié)構(gòu)，被ASLA取代并兼容

Codec - Coder/Decoder

I2S/PCM/AC97 - Codec與CPU間音頻的通信協(xié)議/接口/總線

DAI - Digital Audio Interface其實就是I2S/PCM/AC97/PDM/TDM等，實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)在CPU和Codec間的通信

DSP - Digital Signal Processor

Mixer - 混音器，將來自不同通道的幾種音頻模擬信號混合成一種模擬信號

Mute - 消音，屏蔽信號通道

PCM - Pulse Code Modulation 一種從音頻模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的技術，區(qū)別于PCM音頻通信協(xié)議

采樣頻率 - ADC的頻率，每秒采樣的次數(shù)，典型值如44.1KHZ

量化精度 - 比如24bit，就是將音頻模擬信號按照2的24次方進行等分

SSI - Serial Sound Interface

DAPM - Dynamic Audio Power Management

Codec - 音頻編解碼器Codec負責處理音頻信息，包括ADC,DAC,Mixer,DSP,輸入輸出以及音量控制等所有與音頻相關的功能。Codec與處理器之間通過I2C總線和數(shù)字音頻接口DAI進行通信。

I2S接口

1. I2S簡介

I2S全稱Inter-IC Sound, Integrated Interchip Sound，或簡寫IIS，是飛利浦在1986年定義（1996年修訂）的數(shù)字音頻傳輸標準，用于數(shù)字音頻數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部器件之間傳輸，例如編解碼器CODEC、DSP、數(shù)字輸入/輸出接口、ADC、DAC和數(shù)字濾波器等。除了都是由飛利浦定義外，I2S和I2C沒有任何關系。

I2S是比較簡單的數(shù)字接口協(xié)議，沒有地址或設備選擇機制。在I2S總線上，只能同時存在一個主設備和發(fā)送設備。主設備可以是發(fā)送設備，也可以是接收設備，或是協(xié)調(diào)發(fā)送設備和接收設備的其它控制設備。在I2S系統(tǒng)中，提供時鐘（SCK和WS）的設備為主設備。圖3是常見的I2S系統(tǒng)框圖。在高端應用中，CODEC經(jīng)常作為I2S的主控設備以精確控制I2S的數(shù)據(jù)流。

I2S系統(tǒng)通信配置框圖

IIS 特性

1、先傳高位再傳低位

2、數(shù)據(jù)的MSB從LRCLK邊沿起延遲1 BCLK

3、主要有三個時鐘

主時鐘 MCLK

系統(tǒng)時鐘，一般是12.288MHz 18.432MHz等，一般是位時鐘（Bclk）的256倍或384倍

位時鐘 BCLK（也有叫串行）傳輸一位數(shù)據(jù)的時鐘周期

幀時鐘 LRCLK 低電平左聲道高電平右聲道

4、串行SDDATA 用二進制補碼表示的音頻數(shù)據(jù)

5、其他方式

左對齊數(shù)據(jù)的MSB在LRCLK邊沿起第一個BCLK上升沿用的比較少

右對齊數(shù)據(jù)的LSB靠左LRCLK的上升沿 sony使用這種格式

6、電壓（TTL）輸出 VL <0.4V VH>2.4V 輸入電壓 VIL=0.8V VIH=2.0V

與PCM相比，IIS更適合于立體聲系統(tǒng)，用于傳音樂。

在I2S/PCM接口的ADC/DAC系統(tǒng)中，除了BCLK和FS（LRCLK）外，CODEC經(jīng)常還需要控制器提供MCLK (Master Clock)，這是由CODEC內(nèi)部基于Delta-Sigma (ΔΣ)的架構(gòu)設計要求使然。MCLK時鐘頻率一般為256*FS，具體參考特定器件手冊。

IIS僅僅是PCM的一個分支，接口定義都是一樣的

它們有四組信號: 位時鐘信號，同步信號，數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)輸出。

PCM一般傳單聲道的聲音，也可以傳立體聲，采樣頻率一般為8KHz。

IIS一般傳立體聲，比PCM多了一個線路。數(shù)據(jù)格式都為PCM格式。左/右聲道的一個采樣點編碼一般為16位（量化深度），兩個聲道加起來為32位。

I2S只能傳2個聲道的數(shù)據(jù)，PCM一個復幀可以傳多達32路數(shù)據(jù)。

AC97

AC97（Audio Codec 1997）是以Intel為首的五個PC廠商Intel、Creative Labs、NS、Analog Device與Yamaha共同提出的規(guī)格標準。與PCM和IIS不同，AC’97不只是一種數(shù)據(jù)格式，用于音頻編碼的內(nèi)部架構(gòu)規(guī)格，它還具有控制功能。AC’97采用AC-Link與外部的編解碼器相連，AC-Link接口包括位時鐘（BITCLK）、同步信號校正（SYNC）和從編碼到處理器及從處理器中解碼（SDATDIN與SDATAOUT）的數(shù)據(jù)隊列。AC’97數(shù)據(jù)幀以SYNC脈沖開始，包括12個20位時間段（時間段為標準中定義的不同的目的服務）及16位“tag”段，共計256個數(shù)據(jù)序列。例如，時間段“1”和“2”用于訪問編碼的控制寄存器，而時間段“3”和“4”分別負載左、右兩個音頻通道?！皌ag”段表示其他段中哪一個包含有效數(shù)據(jù)。把幀分成時間段使傳輸控制信號和音頻數(shù)據(jù)僅通過4根線到達9個音頻通道或轉(zhuǎn)換成其他數(shù)據(jù)流成為可能。與具有分離控制接口的IIS方案相比，AC’97明顯減少了整體管腳數(shù)。一般來說，AC’97編解碼器采用TQFP48封裝。

PDM（脈沖密度調(diào)制）[一般用于數(shù)字mic]

PDM（Pulse Density Modulation）是一種用數(shù)字信號表示模擬信號的調(diào)制方法。同為將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的方法，PCM使用等間隔采樣方法，將每次采樣的模擬分量幅度表示為N位的數(shù)字分量（N = 量化深度），因此PCM方式每次采樣的結(jié)果都是N bit字長的數(shù)據(jù)。PDM則使用遠高于PCM采樣率的時鐘采樣調(diào)制模擬分量，只有1位輸出，要么為0，要么為1。因此通過PDM方式表示的數(shù)字音頻也被稱為Oversampled 1-bit Audio。相比PDM一連串的0和1，PCM的量化結(jié)果更為直觀簡單。

在以PDM方式作為模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的應用接收端，需要用到抽取濾波器（Decimation Filter）將密密麻麻的0和1代表的密度分量轉(zhuǎn)換為幅值分量，而PCM方式得到的就已經(jīng)是幅值相關的數(shù)字分量。圖20示意為通過PDM方式數(shù)字化的正弦波。

PCM方式的邏輯更加簡單，但需要用到數(shù)據(jù)時鐘，采樣時鐘和數(shù)據(jù)信號三根信號線；PDM方式的邏輯相對復雜，但它只需要兩根信號線，即時鐘和數(shù)據(jù)。PDM在諸如手機和平板等對于空間限制嚴格的場合有著廣泛的應用前景。在數(shù)字麥克風領域，應用最廣的就是PDM接口，其次為I2S接口。PDM格式的音頻信號可以在比如LCD屏這樣Noise干擾強的電路附近走線（等于沒說，這里指數(shù)字信號抗干擾能力相比于模擬信號更強，同樣PCM也具有此優(yōu)勢）。

通過PDM接口方式，傳輸雙聲道數(shù)據(jù)只要用到兩根信號線。如圖21示意兩個PDM接口的發(fā)送設備與同一個接收設備的連接情況，比如Source 1/2分別作為左右聲道的麥克風，通過這種方式可以將采集到的雙聲道數(shù)據(jù)傳送到接收設備。主設備（此例中作為接收設備）為兩個從設備提供時鐘，分別在時鐘的上升沿和下降沿觸發(fā)選擇Source 1/2作為數(shù)據(jù)輸入。

在PDM輸出麥克風內(nèi)部，可以發(fā)現(xiàn)一個小型ADC IC(調(diào)制器)，其用于將MEMS 傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為PDM信號流。這種音頻轉(zhuǎn)換器技術所生成的信號，其低頻頻譜接近所需音頻信號，而高頻寄生部分的頻率在某個拐點頻率之上隨頻率上升快速升高，基本落在最終產(chǎn)品需要使用的音頻頻率范圍之外。

對于每一個采樣點，用1bit就可以記錄，也就是說，僅僅用表示“否”的“0”和表示“是”的“1”去記錄這一個采樣點的電平值。

DSD的編碼過程中,對信號進行量化的方式和PCM完全不一樣。具體原理如下：

首先是Δ調(diào)制這個概念

試想一下，我們不像PCM那樣用一組規(guī)定的電平值去度量，而是只使用一個固定的差值Δ去度量原始模擬信號。依然是隔一段時間間隔取一次樣，每次取樣得到的電平會拿來與上一次取樣的信號進行比較，如果其差值大于Δ，則輸出1（0），否則輸出為0（1）。于是每個采樣點就能以1bit的形式來表示，而不是像PCM、I2S用8位、16位的量化深度去表示。

但是Δ調(diào)制有著一個缺點，就是隨著輸入模擬信號的頻率增高，信噪比SNR會急劇下降。我們可以通過減小Δ的值，并且增大采樣頻率，來控制量化噪聲（通過增大采樣頻率和減小Δ值來使確保采樣的電平差值不會過大）。

PDM的主體思想就是這樣，每一個采樣的值是上一個采樣的相對值，前后采樣點相互連系密不可分。這種量化方式的思想因為其連續(xù)性，更加接近自然中的聲音。

為了克服Δ調(diào)制的缺陷，發(fā)展出了∑-Δ調(diào)制器(Sigma-Delta Modulator)

如上圖，如果我們在信號的輸入端再加一個差分器，信號從差分器正相輸入，然后通過一個積分器，然后到Δ調(diào)制器(A/D)，把Δ調(diào)制后的結(jié)果進行一次D/A轉(zhuǎn)換，并且延時輸入到差分器的反相端作為反饋，這就是一個完整的∑-Δ調(diào)制器了（應該都知道∑是什么意思）。

輸入信號被發(fā)送到差分區(qū)，在差分塊中從中減去反饋信號。產(chǎn)生的信號被發(fā)送到積分器，積分器的輸出作用于比較器。比較器將參考電壓與積分器的輸出進行比較，并相應地產(chǎn)生“0”或“1”。

反過來，DAC由ADC輸出的0和1去產(chǎn)生兩個可用參考電壓（最高電平或最低電平）。該參考電壓被反饋到差值區(qū)。這個差分放大器的反饋設計使得DAC的輸出平均值等于輸入信號。DAC的輸出是輸入信號的模擬表示，即調(diào)制器的輸出。

整體的量化方式思路還是和Δ調(diào)制類似，不過反饋回路差分放大器的反相輸入端的電平為整個信號的最大值（邏輯1對應的模擬電壓）或最小值（邏輯0對應的模擬電壓），即Δ調(diào)制輸出1，則反饋回Vmax，輸出0，則反饋回Vmin，兩者均為固定值。

也就是說積分器積分的是輸入電平與最高或最低電平的差值，然后我們再對積分后結(jié)果進行一次Δ調(diào)制（這個過程可能不是那么容易想通，把原信號當成是某函數(shù)f(x)的導數(shù)，然后我們對f(x)來進行Δ調(diào)制量化，這樣也許會更好理解一點）。

這樣一來，量化的對象就變成了當前信號電平和先前所有差值和的差值，量化電平不再會受頻率影響，最大量化范圍直接取決于電平值。反饋中加入的延時電路使得∑-Δ調(diào)制器有著噪聲整形的特征，一階的∑-Δ調(diào)制器的噪聲整形效果不明顯，但是我們可以把多階∑-Δ調(diào)制器疊加到一起，使得噪聲整形效果達到一個較高水平。

這個噪聲整形的具體結(jié)果就是,量化噪聲總體量沒有變,但是不是平均分布在所有頻段上,低頻段的量化噪聲會較少,而高頻的量化噪聲會較多.也就是說,量化噪聲被"推擠"到了高頻中.在音頻應用中,大部分量化噪聲被推擠到了遠超過20kHz的高頻,也就是人耳聽不到的頻段,利用一個低通濾波就可以很簡單地把這些噪聲給干掉了。

PDM就是經(jīng)過了以上的∑-Δ調(diào)制而得到的數(shù)字信號，如果把這一連串數(shù)字信號放在同一標尺上和原始信號相比,會發(fā)現(xiàn)數(shù)字"0"和"1"隨著信號電頻的增減成都而密度產(chǎn)生相應變化，所以稱為是脈沖密度調(diào)制**（Pulse Density Modulation)。

從實際工程設計的角度來看，典型PDM麥克風應有電源引腳、接地引腳，當然還需要時鐘輸入引腳、數(shù)據(jù)輸出引腳和通道選擇引腳**。根據(jù)通道選擇引腳的狀態(tài)，麥克風的輸出在時鐘信號處于低電平或高電平狀態(tài)為活躍狀態(tài)，在另一狀態(tài)下處于高阻抗。這種聰穎的設計意味著可以用一根話筒線多路復用兩個麥克風，這樣立體聲PDM接口僅需兩根線纜，即時鐘輸出線纜和一根同時支持兩個聲道的數(shù)據(jù)返回線。

在以PDM方式作為模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的應用接收端，需要用到抽取濾波器（Decimation Filter）將密密麻麻的0和1代表的密度分量轉(zhuǎn)換為幅值分量。

PDM方式的邏輯相對復雜，但它只需要兩根信號線，即時鐘和數(shù)據(jù)。PDM在諸如手機和平板等對于空間限制嚴格的場合有著廣泛的應用前景。在數(shù)字麥克風領域，應用最廣的就是PDM接口，其次為I2S接口。PDM格式的音頻信號可以在比如LCD屏這樣Noise干擾強的電路附近走線（等于沒說，這里指數(shù)字信號抗干擾能力相比于模擬信號更強，同樣PCM也具有此優(yōu)勢）。

下圖為Maxim的Class-D類型功放MAX98358對PDM接口時序的要求，可以看到它在PDM_CLK的上升沿采樣左聲道數(shù)據(jù)，在PDM_CLK下降沿采樣右聲道數(shù)據(jù)。、

MIPI SLIMbus

SLIMbus詳細介紹

SLIMBUS，全稱 Serial Low-power Inter-chip Media Bus，是MIPI聯(lián)盟指定的一種音頻接口，用于連接基帶/應用處理器和音頻芯片，總線協(xié)議保證既能發(fā)控制信息，又能發(fā)數(shù)據(jù)信息，這樣就可以替換傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)和控制兩種接口如I2S和I2C。

SLIMbus v2.0是兩線制，多分支TDM接口，支持多主機和多個設備。它采用以高達28MHz的單數(shù)據(jù)速率（SDR）運行的CMOS I / O，具有固定的幀大小，支持主控和時鐘切換功能，以實現(xiàn)低功耗操作。SLIMbus v2.0還支持多個多通道，高質(zhì)量音頻流，相位相干性，以實現(xiàn)立體聲，麥克風陣列和其他引人注目的功能。它還支持每臺設備最多八個通道的可擴展帶寬，以使峰值聚合帶寬最高達到224Mbps。

MIPI SoundWire

MIPI SoundWire是MIPI SLIMbus的補充規(guī)范。SoundWire于2014年推出，整合了移動和PC行業(yè)音頻接口中的關鍵屬性，并提供了一種通用的，可擴展的體系結(jié)構(gòu)，可用于在各個細分市場的多種類型的設備中啟用全面的音頻功能。

MIPI SoundWire是一個統(tǒng)一接口，主要用于小型音頻外圍設備。它針對低復雜度，低門數(shù)設計進行了優(yōu)化，以支持在手機中使用成本敏感的音頻組件，例如數(shù)字麥克風，數(shù)字揚聲器和高級放大器。此外，它可以優(yōu)化揚聲器保護，麥克風功率和性能，噪聲消除以及“始終聽”音頻輸入。

SoundWire具有許多SLIMbus功能。SoundWire v1.1還采用CMOS I / O，并支持多達11個從設備，多通道音頻，PDM格式以及帶內(nèi)控制/中斷/喚醒。但是，它以高達12.288MHz（高達24.576 Mbps）的雙數(shù)據(jù)速率（DDR）模式運行，并支持可配置的幀大小和增強的低延遲協(xié)議。多達8個數(shù)據(jù)通道的可選多通道擴展可用于支持高端音頻應用。例如，八通道192 KHz 24位音頻需要8 * 24 * 192000 = 36.864 Mbps，這將需要兩個或更多通道，而它可能以較低的頻率運行以相應地優(yōu)化功率。