音频信号和数字音频信号链的区别

音频信号和数字音频信号链的区别

概述

本文主要介绍I2S, PCM和PDM等数字音频接口，主要它们是板内接口比较常用。

缩写释义

CAS:随路信令,语音和信令在同一路话路中传送的信令

CCS:共路信令,语音和信令分开传输

OSS - 以前的Linux音频体系结构，被ASLA取代并兼容

Codec - Coder/Decoder

DAI - Digital Audio Interface其实就是I2S/PCM/AC97/PDM/TDM等，实现音频数据在CPU和Codec间的通信

DSP - Digital Signal Processor

Mixer - 混音器，将来自不同通道的几种音频模拟信号混合成一种模拟信号

Mute - 消音，屏蔽信号通道

采样频率 - ADC的频率，每秒采样的次数，典型值如44.1KHZ

量化精度 - 比如24bit，就是将音频模拟信号按照2的24次方进行等分

SSI - Serial Sound Interface

DAPM - Dynamic Audio Power Management

I2S接口

1. I2S简介

IIS 特性

1、 先传高位再传低位

2、数据的MSB从LRCLK边沿起延迟1 BCLK

3、主要有三个时钟

主时钟 MCLK

系统时钟，一般是12.288MHz 18.432MHz等 ，一般是位时钟（Bclk）的256倍或384倍

位时钟 BCLK（也有叫串行） 传输一位数据的时钟周期

帧时钟 LRCLK 低电平左声道 高电平右声道

4、串行SDDATA 用二进制补码表示的音频数据

5、其他方式

左对齐 数据的MSB在LRCLK边沿起第一个BCLK上升沿 用的比较少

右对齐 数据的LSB靠左LRCLK的上升沿 sony使用这种格式

6、电压（TTL） 输出 VL <0.4V VH>2.4V 输入电压 VIL=0.8V VIH=2.0V

与PCM相比，IIS更适合于立体声系统，用于传音乐。

在I2S/PCM接口的ADC/DAC系统中，除了BCLK和FS（LRCLK）外，CODEC经常还需要控制器提供MCLK (Master Clock)，这是由CODEC内部基于Delta-Sigma (ΔΣ)的架构设计要求使然。MCLK时钟频率一般为256*FS，具体参考特定器件手册。

IIS仅仅是PCM的一个分支，接口定义都是一样的

它们有四组信号: 位时钟信号，同步信号，数据输入，数据输出。

PCM一般传单声道的声音，也可以传立体声，采样频率一般为8KHz。

IIS一般传立体声，比PCM多了一个线路。数据格式都为PCM格式。左/右声道的一个采样点编码一般为16位（量化深度），两个声道加起来为32位。

I2S只能传2个声道的数据，PCM一个复帧可以传多达32路数据。

AC97

PDM（脉冲密度调制）[一般用于数字mic]

PDM（Pulse 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，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 = 量化深度），因此PCM方式每次采样的结果都是N bit字长的数据。PDM则使用远高于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1，PCM的量化结果更为直观简单。

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；PDM方式的逻辑相对复杂，但它只需要两根信号线，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（等于没说，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。如图21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。

对于每一个采样点，用1bit就可以记录，也就是说，仅仅用表示“否”的“0”和表示“是”的“1”去记录这一个采样点的电平值。

DSD的编码过程中,对信号进行量化的方式和PCM完全不一样。具体原理如下：

首先是Δ调制这个概念

试想一下，我们不像PCM那样用一组规定的电平值去度量，而是只使用一个固定的差值Δ去度量原始模拟信号。依然是隔一段时间间隔取一次样，每次取样得到的电平会拿来与上一次取样的信号进行比较，如果其差值大于Δ，则输出1（0），否则输出为0（1）。于是每个采样点就能以1bit的形式来表示，而不是像PCM、I2S用8位、16位的量化深度去表示。

但是Δ调制有着一个缺点，就是随着输入模拟信号的频率增高，信噪比SNR会急剧下降。我们可以通过减小Δ的值，并且增大采样频率，来控制量化噪声（通过增大采样频率和减小Δ值来使确保采样的电平差值不会过大）。

PDM的主体思想就是这样，每一个采样的值是上一个采样的相对值，前后采样点相互连系密不可分。这种量化方式的思想因为其连续性，更加接近自然中的声音。

为了克服Δ调制的缺陷，发展出了∑-Δ调制器(Sigma-Delta Modulator)

如上图，如果我们在信号的输入端再加一个差分器，信号从差分器正相输入，然后通过一个积分器，然后到Δ调制器(A/D)，把Δ调制后的结果进行一次D/A转换，并且延时输入到差分器的反相端作为反馈，这就是一个完整的∑-Δ调制器了（应该都知道∑是什么意思）。

反过来，DAC由ADC输出的0和1去产生两个可用参考电压（最高电平或最低电平）。该参考电压被反馈到差值区。这个差分放大器的反馈设计使得DAC的输出平均值等于输入信号。DAC的输出是输入信号的模拟表示，即调制器的输出。

整体的量化方式思路还是和Δ调制类似，不过反馈回路差分放大器的反相输入端的电平为整个信号的最大值（逻辑1对应的模拟电压）或最小值（逻辑0对应的模拟电压），即Δ调制输出1，则反馈回Vmax，输出0，则反馈回Vmin，两者均为固定值。

也就是说积分器积分的是输入电平与最高或最低电平的差值，然后我们再对积分后结果进行一次Δ调制（这个过程可能不是那么容易想通，把原信号当成是某函数f(x)的导数，然后我们对f(x)来进行Δ调制量化，这样也许会更好理解一点）。

这样一来，量化的对象就变成了当前信号电平和先前所有差值和的差值，量化电平不再会受频率影响，最大量化范围直接取决于电平值。反馈中加入的延时电路使得∑-Δ调制器有着噪声整形的特征，一阶的∑-Δ调制器的噪声整形效果不明显，但是我们可以把多阶∑-Δ调制器叠加到一起，使得噪声整形效果达到一个较高水平。

这个噪声整形的具体结果就是,量化噪声总体量没有变,但是不是平均分布在所有频段上,低频段的量化噪声会较少,而高频的量化噪声会较多.也就是说,量化噪声被"推挤"到了高频中.在音频应用中,大部分量化噪声被推挤到了远超过20kHz的高频,也就是人耳听不到的频段,利用一个低通滤波就可以很简单地把这些噪声给干掉了。

PDM就是经过了以上的∑-Δ调制而得到的数字信号，如果把这一连串数字信号放在同一标尺上和原始信号相比,会发现数字"0"和"1"随着信号电频的增减成都而密度产生相应变化，所以称为是脉冲密度调制**（Pulse Density Modulation)。

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。

PDM方式的逻辑相对复杂，但它只需要两根信号线，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（等于没说，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）。

SLIMbus详细介绍

SLIMBUS，全称 Serial Low-power Inter-chip Media Bus，是MIPI联盟指定的一种音频接口，用于连接基带/应用处理器和音频芯片，总线协议保证既能发控制信息，又能发数据信息，这样就可以替换传统的数据和控制两种接口如I2S和I2C。

MIPI SoundWire

MIPI SoundWire是MIPI SLIMbus的补充规范。SoundWire于2014年推出，整合了移动和PC行业音频接口中的关键属性，并提供了一种通用的，可扩展的体系结构，可用于在各个细分市场的多种类型的设备中启用全面的音频功能。

MIPI SoundWire是一个统一接口，主要用于小型音频外围设备。它针对低复杂度，低门数设计进行了优化，以支持在手机中使用成本敏感的音频组件，例如数字麦克风，数字扬声器和高级放大器。此外，它可以优化扬声器保护，麦克风功率和性能，噪声消除以及“始终听”音频输入。

SoundWire具有许多SLIMbus功能。SoundWire v1.1还采用CMOS I / O，并支持多达11个从设备，多通道音频，PDM格式以及带内控制/中断/唤醒。但是，它以高达12.288MHz（高达24.576 Mbps）的双数据速率（DDR）模式运行，并支持可配置的帧大小和增强的低延迟协议。多达8个数据通道的可选多通道扩展可用于支持高端音频应用。例如，八通道192 KHz 24位音频需要8 * 24 * 192000 = 36.864 Mbps，这将需要两个或更多通道，而它可能以较低的频率运行以相应地优化功率。

MIPI SoundWire和MIPI SLIMBus可以通过桥接解决方案在系统中协同运行，从而为移动或受移动平台影响的平台提供灵活而复杂的音频系统。

SLIMbus是具有成熟音频组件的成熟规范，已部署在高级智能手机和受移动设备影响的平台中。SoundWire作为高端智能手机平台中的数字麦克风和扬声器的推动者正在迅速获得发展势头.

其他

SPDIF

Sony/Philips Digital Interface 是SONY、PHILIPS数字音频接口的简称。

就传输方式而言，SPDIF分为输出（SPDIF OUT）和输入（SPDIF IN）两种.

就传输载体而言，SPDIF又分为同轴和光纤两种，其实信号是相同的.

S/PDIF往往被用来传输压缩过的音频讯号，它由 IEC 61937标准而定制。

它通常被用在支持杜比技术或DTS 环绕效果的家用DVD影院上,不分正负。

A2B 协议

INIC 协议

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