本文主要介绍I2S, PCM和PDM数字音频接口其它几种接口将另文说明。

　　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c;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。

　　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a;时钟信号SCK、数据信号SD和左右声道选择信号WS。

　　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线c;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。

　　WS是声道选择信号表明数据发送端所选择的声道。当

　　在I2S总线c;任何设备都可以通过提供时钟成为I2S的主控设备。考虑到SCK、SD和WS的时延I2S总线上总的时延包括

　　外部时钟SCK到内部时钟的延迟对于数据和左右声道信号WS的输入没有影响因为这段延迟只增加有效的建立时间Setup time如图4所示。需要注意的是发送延迟和接收设备建立时间是否有足够的裕量。所有的时序要求和时钟周期或设备允许的最低时钟周期有关。不同器件的Datasheet都有单独部分说明其时序要求以下部分截取自I2S Bus Specification。

　　图4和图5的时序要求因发送设备的时钟速率不同而有所区别。接收设备的性能指标需要匹配发送设备的性能。表1说明I2S发送和接收时序的要求。

　　根据SD相对于SCK和WS位置的不同I2S分为三种不同的操作模式分别为标准I2S模式、左对齐模式和右对齐模式

　　I2S模式属于左对齐中的一种特例也叫PHILIPS模式是由标准左对齐格式再延迟一个时钟位变化来的。时序如图7所示左声道的数据MSB在WS下降沿之后第二个SCK/BCLK上升沿有效右声道数据的MSB在WS上升沿之后第二个SCK/BCLK上升沿有效。

　　标准左对齐较少使用图8为左对齐时序图和PHILIPS格式图6对比可以看出标准左对齐格式的数据的MSB没有相对于BCLK延迟一个时钟。左对齐格式的左声道的数据MSB在WS上升沿之后SCK/BCLK的第一个上升沿有效右声道的数据MSB在WS下降沿之后SCK/BCLK第一个上升沿有效。标准左对齐格式的优点在于由于在WS变化后的第一个SCK上升沿就开始采样它不需要关心左右声道数据的字长只要WS的时钟周期足够长左对齐的方式支持16-32bit字长格式。

　　标准右对齐也叫日本格式EIAJ (Electronic Industries Association of Japan) 或SONY格式图9为右对齐时序图。右对齐格式左声道的数据LSB在WS下降沿的前一个SCK/BCLK上升沿有效右声道的数据LSB在WS上升沿的前一个SCK/BCLK上升沿有效。相比于标准左对齐格式标准右对齐的不足在于接收设备必须事先知道待传数据的字长。这也解释了为什么许多CODEC都会提供多种右对齐格式选择功能。

　　以上不同I2S对齐方式时序图来源详见链接TI CODEC 器件手册。

　　标准左对齐和标准右对齐模式的LRCK/WS高低电平对应的左右声道与标准I2S模式的规定恰好相反标准左右对齐LRCK/WS高电平对应左声道LRCK/WS低电平对应右声道而I2S低电平对应左声道LRCK/WS高电平对应右声道

　　PCM数字音频接口即说明接口上传输的音频数据通过PCM方式采样得到的以区别于PDM方式。在音频领域PCM接口常用于板级音频数字信号的传输与I2S相似。PCM和I2S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不过是PCM接口的特例。

　　TDM/PCM数字音频接口的硬件拓扑结构也与I2S相近。图12表示应用DSP作为主设备控制ADC和DAC间数字音频流的例子。

　　由于没有统一标准不同厂商对Mode A和Mode B定义可能有所差别。

　　在实际应用中总是以帧同步时钟FSYNC的上升沿表示一次传输的开始。帧同步时钟的频率总是等于音频的采样率比如44.1 kHz48 kHz等。多数应用只用到FSYNC的上升沿而忽略其下降沿。根据不同应用FSYNC脉冲宽度的差别PCM帧同步时钟模式大致分为两种

　　c.由于没有统一标准不同厂商对FSYNC脉冲宽度及触发边沿的设置可能不同以器件手册为准。

　　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。

　　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b;PDM方式的逻辑相对复杂但它只需要两根信号线c;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c;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22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。

　　笔者刚开始接触音频方面的设计知识体系并不完善。求助于Google和Wiki把相关的资料在这里以笔者认为容易懂的方式组织是为此文。当然本文必然存在不足和失当之处欢迎各位朋友赐教指正。文章内容作者可能随时更新