用于音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)某Ｒ奍C間數(shù)字接口

先了解不同接口的優(yōu)缺點(diǎn)而后選擇元件，這有利于更加合理地選擇元件，保證信號(hào)鏈的高效實(shí)現(xiàn)。

隨著音頻集成電路轉(zhuǎn)向更精細(xì)的工藝尺度，要在相同一片高密度數(shù)字電路硅片上設(shè)計(jì)出高性能的模擬電路變得更為困難，集成的性價(jià)比減小。因此，音頻系統(tǒng)架構(gòu)師正在將音頻信號(hào)鏈中的模擬部分進(jìn)一步推至輸出和輸入端，而相互間以數(shù)碼方式連接起來。

如圖1所示，傳統(tǒng)的音頻信號(hào)鏈中有麥克風(fēng)、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(yáng)聲器，它們之間使用模擬信號(hào)連接。但是，由于模擬電路被推到了信號(hào)鏈的邊緣，信號(hào)鏈中各集成電路間將出現(xiàn)更多數(shù)字接口。DSP通常是數(shù)字連接，換能器、放大器一般而言只有模擬接口，但現(xiàn)在也正在包含數(shù)字接口的功能。

目前，集成電路設(shè)計(jì)人員正在將換能器內(nèi)的ADC、DAC和調(diào)制器集成到信號(hào)鏈的另一端，這樣就不必在印刷電路板(PCB)上布放任何模擬音頻信號(hào)，并且減少了信號(hào)鏈中的器件數(shù)量。圖2給出了一個(gè)完整數(shù)字音頻信號(hào)鏈的例子。

數(shù)字音頻數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)在有許多標(biāo)準(zhǔn)。很多格式都可以用于在同一塊PCB上實(shí)現(xiàn)IC間的通信，如I2S（IC間音頻）、TDM（時(shí)分復(fù)用）和PDM（脈沖分時(shí)復(fù)用）等格式。其它音頻格式則主要面向不同印刷電路板之間通過電纜的數(shù)據(jù)連接，如S/PDIF和以太AVB。

本文的重點(diǎn)是IC之間數(shù)字音頻格式的區(qū)別與優(yōu)缺點(diǎn)。如選擇了數(shù)字接口不匹配的音頻組件，則會(huì)不必要地使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。了解不同接口的優(yōu)缺點(diǎn)后再選擇部件，有助于提高組件選擇效率和保證信號(hào)鏈的最高效實(shí)現(xiàn)。

IC之間音頻(12S)是用于集成電路之間音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畛Ｒ姅?shù)字音頻格式。飛利浦半導(dǎo)體（即現(xiàn)在的恩智浦半導(dǎo)體）于1986年推出了12S標(biāo)準(zhǔn)。1996年對(duì)該格式進(jìn)行了修訂。該接口首次廣泛應(yīng)用于CD播放器的設(shè)計(jì),現(xiàn)在幾乎在涉及集成電路間數(shù)字音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的任何應(yīng)用上都可以看到該接口。多數(shù)音頻ADC、DAC、DSP，與采樣速率轉(zhuǎn)換器，以及一些微控制器都帶有I2S接口。

一個(gè)I2S總線會(huì)使用三根信號(hào)線做數(shù)據(jù)傳輸：幀時(shí)鐘，位時(shí)鐘，以及數(shù)據(jù)線。接收IC、發(fā)送IC，甚至一個(gè)單獨(dú)的時(shí)鐘主控IC都可以生成兩個(gè)時(shí)鐘，這取決于系統(tǒng)架構(gòu)(圖3)。帶有I2S端口的集成電路通?？梢栽O(shè)置為主模式或從模式。除非設(shè)計(jì)的信號(hào)鏈中使用了采樣率轉(zhuǎn)換器，否則系統(tǒng)通常會(huì)有單一的I2S主設(shè)備，以避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)同步問題。

對(duì)于這些信號(hào)，飛利浦標(biāo)準(zhǔn)中將字選擇命名為WS，時(shí)鐘命名為SCK，數(shù)據(jù)命名為SD，然而電路制造商似乎很少在自己的IC數(shù)據(jù)表中使用這些名稱。字選擇另稱為LRCLK，表示“左/右時(shí)鐘”，而SCK則另稱為BCLK，指位時(shí)鐘，或叫SCLK，即串行時(shí)鐘。

IC串行數(shù)據(jù)管腳的名稱因不同的電路供應(yīng)商而不同，甚至同一個(gè)供應(yīng)商各產(chǎn)品間的命名也不同。據(jù)音頻IC數(shù)據(jù)表的一份快速調(diào)查顯示，SD信號(hào)也可以稱為SDATA、SDIN、SDOUT、DACDAT、ADCDAT，或這些名稱的其他變體，取決于數(shù)據(jù)管腳是輸入還是輸出。

I2S數(shù)據(jù)流能夠以一個(gè)典型位時(shí)鐘速率，攜帶一個(gè)或兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)，典型的位時(shí)鐘率在512 kHz（對(duì)應(yīng)8 kHz采樣速率）與12.288 MHz（為192 kHz采樣速率）之間。數(shù)據(jù)字的長度通常是16、24，或32位。對(duì)于小于32位的數(shù)據(jù)字長，幀長度一般還是64位，沒有用到的位由發(fā)送IC驅(qū)動(dòng)至低電平。

有些IC僅支持每個(gè)立體聲音頻幀最大32位或48位時(shí)鐘的接口I2S，雖然很少見。如果使用這類IC，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員就必須確保其連接另一端的設(shè)備也支持這些位時(shí)鐘率。

圖2 IC設(shè)計(jì)人員正在換能器中的ADC、DAC和調(diào)制器集成到信號(hào)鏈的另一端，從而無需在PCB板上布放模擬音頻信號(hào)，并減少了信號(hào)鏈上的器件數(shù)量。圖中是一個(gè)完整數(shù)字音頻信號(hào)鏈的例子。

盡管I2S是最常使用的格式，但也有其它相同三線結(jié)構(gòu)的變體，如左對(duì)齊、右對(duì)齊和PCM模式。這些格式與I2S的區(qū)別在于幀中數(shù)據(jù)字的位置、時(shí)鐘的極性，或每個(gè)幀中位時(shí)鐘周期的數(shù)量。

TDM格式

有些IC支持使用一個(gè)公共時(shí)鐘的多路I2S數(shù)據(jù)輸入或輸出，但這樣的方法顯然會(huì)增加數(shù)據(jù)傳輸所需要的管腳數(shù)量。當(dāng)同一個(gè)數(shù)據(jù)線上傳輸兩個(gè)以上通道的數(shù)據(jù)時(shí)，就要使用TDM格式。TDM數(shù)據(jù)流可以承載多達(dá)16通道的數(shù)據(jù)，并有一個(gè)類似于I2S的數(shù)據(jù)/時(shí)鐘結(jié)構(gòu)。

每個(gè)通道的數(shù)據(jù)都使用數(shù)據(jù)總線上的一個(gè)槽（Slot），其寬度相當(dāng)于幀的1/N, 其中N是傳輸通道的數(shù)量。出于實(shí)用考慮，N通常四舍五入到最近的2次冪(2、4、8、或16)，并且任何多余通道都被空閑。一個(gè)TDM幀時(shí)鐘通常實(shí)現(xiàn)為一位寬的脈沖，這與I2S的50%占空比時(shí)鐘相反。超過25 MHz的時(shí)鐘速率通常不用于TDM數(shù)據(jù)，原因是較高的頻率會(huì)引起印刷電路板設(shè)計(jì)者要避免的板面布局問題。

TDM常用于多個(gè)源饋入一個(gè)輸入端，或單源驅(qū)動(dòng)多只器件的系統(tǒng)。在前一種情況下，（多源饋入一個(gè)輸入端)，每個(gè)TDM源共享一個(gè)公共的數(shù)據(jù)總線。該信源必須配置為在其適用通道期間才驅(qū)動(dòng)總線，而當(dāng)其它器件在驅(qū)動(dòng)其它總線時(shí)，其驅(qū)動(dòng)器要置為三態(tài)。

TDM接口還沒出現(xiàn)類似飛利浦I2S的其他標(biāo)準(zhǔn)，因此，很多IC都有著自己略微不同的TDM實(shí)現(xiàn)方法。這些變化體現(xiàn)在時(shí)鐘極性、通道配置，以及閑置通道的三態(tài)化和驅(qū)動(dòng)上。當(dāng)然，通常情況下不同IC是可以一起工作的，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須確保一個(gè)器件的輸出格式要符合另一只器件輸入端的預(yù)期

PDM數(shù)據(jù)連接

PDM數(shù)據(jù)連接在手機(jī)和平板電腦等便攜音頻應(yīng)用上方面變得越來越普遍。PDM在尺寸受限應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯，因?yàn)樗梢詫⒁纛l信號(hào)的布放圍繞LCD顯示屏等高噪聲電路，而不必處理模擬音頻信號(hào)可能面臨的干擾問題。

有了PDM，僅兩根信號(hào)線就可以傳輸兩個(gè)音頻通道。如圖4系統(tǒng)框圖所示，兩個(gè)PDM源將一根公共數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)為一個(gè)接收器。系統(tǒng)主控生成一個(gè)可被兩個(gè)從設(shè)備使用的時(shí)鐘，這兩個(gè)從設(shè)備交替使用時(shí)鐘的邊緣，通過一根公共信號(hào)線將其數(shù)據(jù)輸出出去。

這些數(shù)據(jù)調(diào)制在一個(gè)64×速率上，從而形成一個(gè)通常為1到3.2 MHz的時(shí)鐘。音頻信號(hào)帶寬隨著時(shí)鐘頻率的增加而增加，因此，可以在系統(tǒng)中使用較低頻率的時(shí)鐘，從而抵消了為節(jié)省功耗而降低的帶寬。

基于PDM的架構(gòu)不同于I2S和TDM之處是，抽取濾波器是不在發(fā)送IC中，而是位于接收IC中。源輸出是原始的高采樣率調(diào)制數(shù)據(jù)，如Sigma-Delta調(diào)制器的輸出，而不是像I2S中那樣的抽取數(shù)據(jù)。基于PDM的架構(gòu)減少了源器件的復(fù)雜性，通常會(huì)利用已經(jīng)存在于編解碼器ADC中的抽取濾波器。

通過這種方法,系統(tǒng)設(shè)計(jì)者不僅可以利用可能已被使用的音頻編解碼器, 也可以利用到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)連接對(duì)干擾不敏感的優(yōu)點(diǎn)。此外，通過使用面向編碼器或處理器制造的更精細(xì)硅工藝尺度，而不是用于話筒IC的工藝，就可以實(shí)現(xiàn)更高效的抽取濾波器。

編解碼器、DPS，和放大器擁有I2S端口很多年了，但直到現(xiàn)在，麥克風(fēng)等系統(tǒng)輸入設(shè)備還是模擬或PDM輸出。隨著數(shù)字接口進(jìn)一步靠近信號(hào)鏈的兩端，將需要新的IC來支持新的系統(tǒng)架構(gòu)。

擁有集成I2S接口的話筒（如Analog Devices公司的ADM441 MEMS話筒）使設(shè)計(jì)者很容易將該元件做到不容易使用PDM話筒的系統(tǒng)中，或不希望用模擬接口的系統(tǒng)中。只有少部分音頻編解碼器能接受PDM輸入，極少專門針對(duì)手機(jī)和平板電腦設(shè)計(jì)的處理器才能原生地接受這種類型數(shù)據(jù)流。

在有些設(shè)計(jì)中，一只I2S輸出的話筒可以完全無需任何模擬前端電路，因此很多設(shè)計(jì)可能只有一只ADC和PGA，從而支持話筒對(duì)處理器的單個(gè)輸入。這樣一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)例是一種帶數(shù)據(jù)發(fā)射器的無線話筒。無線傳輸SOC可能并沒有內(nèi)置ADC，因此采用一個(gè)I2S話筒，就能實(shí)現(xiàn)換能器與發(fā)射器之間的完全數(shù)字化連接。

I2S、TDM與PDM音頻接口各有其優(yōu)點(diǎn)與最適合的應(yīng)用。隨著更多音頻IC從模擬接口轉(zhuǎn)向數(shù)字接口，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者與架構(gòu)師們會(huì)需要了解哪種接口最適合于自己的特定設(shè)計(jì)。從話筒到DSP再到放大器，這樣一個(gè)數(shù)字信號(hào)鏈可以完全脫離開PCB，而僅存在于音頻域中。