全面解析I2S、TDM、PCM音頻總線

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包括兩個聲道（Left/Right）的數(shù)據(jù)，在主設備發(fā)出聲道選擇/字選擇（WS）控制下進行左右聲道數(shù)據(jù)切換。通過增加I2S接口的數(shù)目或其它I2S設備可以實現(xiàn)多聲道（Multi-Channels）應用。

2. 信號定義

在I2S傳輸協(xié)議中，數(shù)據(jù)信號、時鐘信號以及控制信號是分開傳輸?shù)摹2S協(xié)議只定義三根信號線：時鐘信號SCK、數(shù)據(jù)信號SD和左右聲道選擇信號WS。

時鐘信號 Serial Clock

SCK是模塊內(nèi)的同步信號，從模式時由外部提供，主模式時由模塊內(nèi)部自己產(chǎn)生。不同廠家的芯片型號，時鐘信號叫法可能不同，也可能稱BCLK/Bit Clock或SCL/Serial Clock

數(shù)據(jù)信號 Serial Data

SD是串行數(shù)據(jù)，在I2S中以二進制補碼的形式在數(shù)據(jù)線上傳輸。在WS變化后的第一個SCK脈沖，先傳輸最高位（MSB, Most Significant Bit）。先傳送MSB是因為發(fā)送設備和接收設備的字長可能不同，當系統(tǒng)字長比數(shù)據(jù)發(fā)送端字長長的時候，數(shù)據(jù)傳輸就會出現(xiàn)截斷的現(xiàn)象/Truncated，即如果數(shù)據(jù)接收端接收的數(shù)據(jù)位比它規(guī)定的字長長的話，那么規(guī)定字長最低位（LSB: Least Significant Bit）以后的所有位將會被忽略。如果接收的字長比它規(guī)定的字長短，那么空余出來的位將會以0填補。通過這種方式可以使音頻信號的最高有效位得到傳輸，從而保證最好的聽覺效果。

根據(jù)輸入或輸出特性，不同芯片上的SD也可能稱SDATA、SDIN、SDOUT、DACDAT、ADCDAT等；

數(shù)據(jù)發(fā)送既可以同步于SCK的上升沿，也可以是下降沿，但接收設備在SCK的上升沿采樣，發(fā)送數(shù)據(jù)時序需考慮

左右聲道選擇信號 Word Select

WS是聲道選擇信號，表明數(shù)據(jù)發(fā)送端所選擇的聲道。當：

WS＝0，表示選擇左聲道

WS＝1，表示選擇右聲道

WS也稱幀時鐘，即LRCLK/Left Right Clock。WS頻率等于聲音的采樣率。WS既可以在SCK的上升沿，也可以在SCK的下降沿變化。從設備在SCK的上升沿采樣WS信號。數(shù)據(jù)信號MSB在WS改變后的第二個時鐘（SCK）上升沿有效（即延遲一個SCK），這樣可以讓從設備有足夠的時間以存儲當前接收的數(shù)據(jù)，并準備好接收下一組數(shù)據(jù)。

3. I2S操作模式

根據(jù)SD相對于SCK和WS位置的不同，I2S分為三種不同的操作模式，分別為標準I2S模式、左對齊模式和右對齊模式：

I2S Phillips Standard I2S格式

Left Justified Standard 左對齊格式

Right Justified Standard 右對齊格式

I2S模式屬于左對齊中的一種特例，也叫PHILIPS模式，是由標準左對齊格式再延遲一個時鐘位變化來的。時序如下圖所示，左聲道的數(shù)據(jù)MSB在WS下降沿之后第二個SCK/BCLK上升沿有效，右聲道數(shù)據(jù)的MSB在WS上升沿之后第二個SCK/BCLK上升沿有效。

標準左對齊較少使用，下圖為左對齊時序圖，和PHILIPS格式對比可以看出，標準左對齊格式的數(shù)據(jù)的MSB沒有相對于BCLK延遲一個時鐘。左對齊格式的左聲道的數(shù)據(jù)MSB在WS上升沿之后SCK/BCLK的第一個上升沿有效；右聲道的數(shù)據(jù)MSB在WS下降沿之后SCK/BCLK第一個上升沿有效。標準左對齊格式的優(yōu)點在于，由于在WS變化后的第一個SCK上升沿就開始采樣，它不需要關心左右聲道數(shù)據(jù)的字長，只要WS的時鐘周期足夠長，左對齊的方式支持16-32bit字長格式。

標準右對齊也叫日本格式，EIAJ (Electronic Industries Association of Japan) 或SONY格式，下圖為右對齊時序圖。右對齊格式左聲道的數(shù)據(jù)LSB在WS下降沿的前一個SCK/BCLK上升沿有效，右聲道的數(shù)據(jù)LSB在WS上升沿的前一個SCK/BCLK上升沿有效。相比于標準左對齊格式，標準右對齊的不足在于接收設備必須事先知道待傳數(shù)據(jù)的字長。這也解釋了為什么許多CODEC都會提供多種右對齊格式選擇功能。

注：

標準左對齊和標準右對齊模式的LRCK/WS高低電平對應的左右聲道與標準I2S模式的規(guī)定恰好相反！標準左右對齊LRCK/WS高電平對應左聲道，LRCK/WS低電平對應右聲道；而I2S低電平對應左聲道，LRCK/WS高電平對應右聲道！

4. I2S數(shù)據(jù)時鐘（SCK）頻率計算

例如：設聲音的采樣頻率為44.1 kHz，即聲道選擇信號（幀時鐘）WS的頻率必須也為44.1 kHz；左/右2個聲道的量化深度均為16 bit，則I2S的SCK的頻率為：44.1 kHz×16×2＝1.4112 MHz

SCK = 采樣率 * 位寬 * 通道數(shù)

WS = 采樣率

如果需要傳輸20 bit、24 bit或32 bit的左右聲道的數(shù)據(jù)，可以提高SCK的頻率，由上式可以計算出需要的SCK的頻率。

PCM接口

1. PCM簡介

PCM (Pulse Code Modulation) 是通過等時間隔（即采樣率時鐘周期）采樣將模擬信號數(shù)字化的方法。下圖為 4 bit 采樣深度的PCM數(shù)據(jù)量化示意圖。

PCM數(shù)字音頻接口，即說明接口上傳輸?shù)囊纛l數(shù)據(jù)通過PCM方式采樣得到的，以區(qū)別于PDM方式。在音頻領域，PCM接口常用于板級音頻數(shù)字信號的傳輸，與I2S相似。PCM和I2S的區(qū)別于數(shù)據(jù)相對于幀時鐘（FSYNC/WS）的位置、時鐘的極性和幀的長度。其實，I2S上傳輸?shù)囊彩荘CM類型的數(shù)據(jù)，因此可以說I2S不過是PCM接口的特例。

相比于I2S接口，PCM接口應用更加靈活。通過時分復用（TDM, Time Division Multiplexing）方式，PCM接口支持同時傳輸多達N個（N>8）聲道的數(shù)據(jù)，減少了管腳數(shù)目（實際上是減少I2S的“組”數(shù)，因為每組I2S只能傳輸兩聲道數(shù)據(jù)嘛）。TDM不像I2S有統(tǒng)一的標準，不同的IC廠商在應用TDM時可能略有差異，這些差異表現(xiàn)在時鐘的極性、聲道配置的觸發(fā)條件和對閑置聲道的處理等。

TDM/PCM數(shù)字音頻接口的硬件拓撲結(jié)構也與I2S相近。

綜合不少廠商的數(shù)據(jù)手冊，筆者發(fā)現(xiàn)，在應用PCM音頻接口傳輸單聲道數(shù)據(jù)（如麥克風）時，其接口名稱為PCM；雙聲道經(jīng)常使用I2S；而TDM則表示傳輸兩個及以上聲道的數(shù)據(jù)，同時區(qū)別于I2S特定的格式。

2. 信號定義

PCM接口與I2S相似，電路信號包括：

PCM_CLK 數(shù)據(jù)時鐘信號

PCM_SYNC 幀同步時鐘信號

PCM_IN 接收數(shù)據(jù)信號

PCM_OUT 發(fā)送數(shù)據(jù)信號

TDM/PCM與I2S接口對應關系見下表：

3. 操作模式

根據(jù) SD相對幀同步時鐘FSYNC的位置，TDM分兩種基本模式：

Mode A: 數(shù)據(jù)在FSYNC有效后，BCLK的第2個上升沿有效

Mode B: 數(shù)據(jù)在FSYNC有效后，BCLK的第1個上升沿有效

注：由于沒有統(tǒng)一標準，不同廠商對Mode A和Mode B定義可能有所差別。

在實際應用中，總是以幀同步時鐘FSYNC的上升沿表示一次傳輸?shù)拈_始。幀同步時鐘的頻率總是等于音頻的采樣率，比如44.1 kHz，48 kHz等。多數(shù)應用只用到FSYNC的上升沿，而忽略其下降沿。根據(jù)不同應用FSYNC脈沖寬度的差別，PCM幀同步時鐘模式大致分為兩種：

長幀同步 Long Frame Sync

短幀同步 Short Frame Sync

注：

a. 長幀同步，如圖所示，F(xiàn)SYNC脈沖寬度等于1個Slot的長度。Slot在TDM中表示的是傳輸單個聲道所占用的位數(shù)。如圖所示TI McASP接口的TDM包括6個Slots，即它最多可包括6聲道數(shù)據(jù)。注意，Slot的位數(shù)并不一定等于音頻的量化深度。比如Slot可能為32 bit，其中包括24 bit有效數(shù)據(jù)位（Audio Word） + 8 bit零填充（Zero Padding）。不同廠商對Slot的叫法可能有所區(qū)別，比如Circus Logic稱之為Channel Block；

b. 短幀同步，F(xiàn)SYNC脈沖寬度等于1個BCLK周期長度；

c. 由于沒有統(tǒng)一標準，不同廠商對FSYNC脈沖寬度及觸發(fā)邊沿的設置可能不同，以器件手冊為準。

8-bit長幀同步模式

16bit 長幀同步模式

5. 時鐘（BCLK）頻率的計算

FSYNC的頻率等于音頻的采樣率（例如44.1 kHz，48 kHz等）。Frame每次傳輸包括所有聲道的數(shù)據(jù)。PCM采樣音頻數(shù)據(jù)量化深度一般在16-32bit（最常見為16/24bit）。那么對于8聲道，每個聲道32bit音頻數(shù)據(jù)，采樣率48kHz的系統(tǒng)，TDM的系統(tǒng)時鐘速率為：8 × 32 × 48kHz ＝ 12.288 MHz

BCLK = 采樣率 * 位寬 * 通道數(shù)

FYNC = 采樣率

在器件Datasheet中，可以見到TDM128/TDM256/TDM384/TDM512等說法，數(shù)字的含義為單個TDM數(shù)據(jù)幀包含數(shù)據(jù)的比特數(shù)（即幀長）。TDM128：16bit * 8 channel。TDM256：32bit * 8channel。依次類推。

編輯：黃飛

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