Audio Codec的音頻接口總結(jié)之?dāng)?shù)字音頻接口
本文基于對(duì)市場(chǎng)上常用的Audio Codec TLV320AI3101的數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行總結(jié)和學(xué)習(xí)，從中更深入的總結(jié)通用audio codec的輸入輸出接口及其內(nèi)部的信號(hào)處理流程，以此建立對(duì)audio codec及其音頻處理流程的更為全面的認(rèn)識(shí)。
全文分為三個(gè)部分：
數(shù)字音頻接口簡(jiǎn)介
除了能夠支持以上的模擬音頻數(shù)據(jù)的輸入和輸出以外，一般的Audio Codec也同時(shí)提供了數(shù)字音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌�，至少，這個(gè)數(shù)字傳輸?shù)慕涌诳梢杂糜冢?/span>
- • 把模擬麥克風(fēng)采集的音頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換以后得到的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)字音頻接口傳輸給DSP進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
- • 通過(guò)數(shù)字音頻接口接收DSP傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換以后在揚(yáng)聲器、耳機(jī)等設(shè)備上播放出來(lái)。
而對(duì)于Audio Codec而言，最常用的數(shù)字音頻接口就是I2S接口。一路I2S接口可以用于傳輸包含兩路獨(dú)立音頻數(shù)據(jù)流的雙聲道音頻數(shù)據(jù)。為了利用I2S的硬件接口同時(shí)傳輸更多路的音頻數(shù)據(jù)，部分Audio Codec也會(huì)在I2S硬件接口上提供TDM時(shí)分復(fù)用的方式傳輸多路音頻數(shù)據(jù)的音頻傳輸協(xié)議。
I2S接口
I2S(Inter-IC Sound)是一種同步串行接口，專門用于音頻數(shù)據(jù)的傳輸，具有簡(jiǎn)單、高效和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。I2S接口傳輸?shù)氖菙?shù)字音頻數(shù)據(jù)，通常以PCM（脈沖編碼調(diào)制）格式表示，實(shí)際上也就是Audio Codec中從麥克風(fēng)采集語(yǔ)音數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，或者從DSP接收到的、需要通過(guò)Audio Codec進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換后在揚(yáng)聲器播放出來(lái)的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)。
通過(guò)I2S所傳輸?shù)臄?shù)字音頻數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的參數(shù)包括采樣率（如16KHz、32KHz、44.1kHz、48kHz等）、位深（如16位、24位等）和聲道數(shù)（如立體聲雙聲道）。具體的傳輸過(guò)程中，I2S接口通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)同步音頻數(shù)據(jù)的傳輸。它使用多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，確保音頻數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。
I2S硬件接口的信號(hào)線包括：
- • SDIN/SDOUT（Serial Data）：串行數(shù)據(jù)線，用于對(duì)外或者對(duì)內(nèi)傳輸數(shù)字音頻數(shù)據(jù)。
- • WCLK（Word Clock）：字選擇信號(hào)，用于指示當(dāng)前傳輸?shù)氖亲舐暤肋�是右聲道數(shù)據(jù)。通常WCLK為高電平時(shí)傳輸左聲道數(shù)據(jù)，為低電平時(shí)傳輸右聲道數(shù)據(jù)。
- • BCLK（Bit Clock）：串行位時(shí)鐘線，用于控制數(shù)據(jù)的采樣速率。音頻數(shù)據(jù)在BCLK的上升沿或下降沿被采樣。
下圖是TLV320AIC3101的I2S工作時(shí)序圖。在I2S標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)據(jù)在WCLK邊沿（上升沿或下降沿）延遲1個(gè)時(shí)鐘周期（BCLK）后開(kāi)始傳輸下一個(gè)聲道的MSB數(shù)據(jù)位。
TDM接口
如上所述，一路I2S接口只能以左右聲道的方式用于傳輸兩路獨(dú)立的音頻數(shù)據(jù)，形成雙聲道立體聲的音頻效果。但是很多時(shí)候我們的產(chǎn)品（例如包含麥克風(fēng)陣列的功能）想要傳輸更多路獨(dú)立音頻流的時(shí)候，除了使用多路獨(dú)立的I2S接口以外，還可以使用TDM接口來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
在硬件接口上，TDM接口與I2S接口共享同一組物理引腳（DOUT/DIN、SCK、WS），只不過(guò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不同。I2S模式可用于傳輸雙通道（立體聲）音頻數(shù)據(jù)；TDM模式則用于使用相同的物理接口同時(shí)傳輸多通道（2~8通道）音頻數(shù)據(jù)，通過(guò)時(shí)隙劃分復(fù)用同一數(shù)據(jù)線。
在音頻Codec中，TDM接口可以用于在單條數(shù)據(jù)線上傳輸多個(gè)獨(dú)立音頻通道的采樣數(shù)據(jù)，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)按預(yù)先分配的時(shí)間槽（Time Slot）依次傳輸。在具體的工作過(guò)程中，TDM接口和協(xié)議會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸周期劃分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙分配給一個(gè)獨(dú)立的音頻數(shù)據(jù)通道。例如，若TDM支持8個(gè)時(shí)隙，則可傳輸8個(gè)通道的音頻數(shù)據(jù)，8個(gè)通道輪流使用自己的時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)。
下圖是TLV320AIC3101的TDM數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖。可以看到，使用TDM模式進(jìn)行多路音頻數(shù)據(jù)傳輸使用了與I2S相同的硬件接口和物理引腳，只不過(guò)不再使用Word Clock區(qū)分左右聲道，而是在Data In和Data Out固定設(shè)置不同音頻流所使用的傳輸時(shí)隙，因此，對(duì)于使用TDM接口進(jìn)行多路音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳舷掠卧O(shè)備而言，需要提前協(xié)商清楚并設(shè)置好同時(shí)傳輸幾路音頻流，以及各路音頻流在傳輸時(shí)序中的時(shí)隙才行。
對(duì)于TDM接口的使用，需要注意的是，TDM接口仍然沒(méi)有完全的標(biāo)準(zhǔn)化，針對(duì)其通信協(xié)議細(xì)節(jié)（如時(shí)隙數(shù)、對(duì)齊方式、時(shí)鐘相位）缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的實(shí)現(xiàn)可能存在一定的差異，所以在使用TDM接口進(jìn)行上下游設(shè)備之間的對(duì)接調(diào)試中，可能會(huì)遇到一定的兼容性問(wèn)題，需要調(diào)試部分參數(shù)才能解決。
PCM接口
其實(shí)除了以上的I2S接口和TDM接口以外，在一些Audio Codec上還有一種用于傳輸數(shù)字音頻信號(hào)的PCM接口（TLV320AIC3101沒(méi)有PCM接口），該接口多用于語(yǔ)音通信和多通道數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景。
PCM接口一般用于傳輸未經(jīng)壓縮的多通道（能夠更靈活的支持多通道是PCM接口與I2S之間的最大差別）線性PCM音頻數(shù)據(jù)，可支持語(yǔ)音、音樂(lè)等多種場(chǎng)景。
具體的使用過(guò)程中，PCM接口的典型應(yīng)用場(chǎng)景就是與單設(shè)備多通道、多設(shè)備多通道等形態(tài)的音頻設(shè)備進(jìn)行連接，通過(guò)一組PCM接口可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立的音頻通道的音頻數(shù)據(jù)的傳輸。例如：
- • 1個(gè)8通道ADC芯片通過(guò)PCM接口連接Host，每個(gè)時(shí)隙傳輸1個(gè)通道的采樣數(shù)據(jù)。
- • Host通過(guò)1個(gè)PCM接口連接4個(gè)單聲道麥克風(fēng)（每個(gè)設(shè)備占用1個(gè)時(shí)隙）。
從接口的硬件定義上，PCM接口與I2S接口很類似，通常包含以下數(shù)據(jù)線：
- • PCM_CLK（位時(shí)鐘）：由主設(shè)備生成和控制，頻率為采樣率 × 位寬 × 通道數(shù)。例如在16位、8通道、48 kHz采樣率的情況下，PCM_CLK頻率 = 48k × 16 × 8 = 6.144 MHz。
- • PCM_SYNC（幀同步）：由主設(shè)備生成和控制，標(biāo)識(shí)音頻幀的起始位置，頻率等于采樣率。
- • PCM_DIN（數(shù)據(jù)輸入）與 PCM_DOUT（數(shù)據(jù)輸出）：傳輸多通道音頻數(shù)據(jù)。
從以上PCM接口所包含的數(shù)據(jù)線可以看到，PCM_CLK、PCM_DIN、PCM_DOUT的定義與I2S沒(méi)有區(qū)別，雙方之間的區(qū)別主要是在I2S的WCLK和PCM的PCM_SYNC上。
要徹底解釋清楚這兩者的差異，首先要弄清楚PCM接口中用于作為幀同步信號(hào)的PCM_SYNC中的音頻幀是什么意思。
PCM接口中所傳輸?shù)囊纛l幀，總是由PCM_SYNC的一次跳變（跳變邊沿可編程設(shè)置）來(lái)啟動(dòng)傳輸，而一個(gè)音頻幀中包含了PCM接口所連接的多通道中每一個(gè)通道的一個(gè)音頻采樣數(shù)據(jù)，每個(gè)音頻采樣數(shù)據(jù)占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)隙，各個(gè)通道在音頻幀中所占據(jù)的時(shí)隙在Host和Device兩端的寄存器中進(jìn)行設(shè)置。在這種PCM接口連接多通道音頻設(shè)備的情況下，一個(gè)音頻幀被分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙包含其中一個(gè)通道的音頻采樣數(shù)據(jù)，整個(gè)音頻幀由PCM_SYNC信號(hào)觸發(fā)開(kāi)始一個(gè)完整的數(shù)據(jù)傳輸周期（即這個(gè)音頻幀的周期）。
如下圖所示的PCM接口連接的四通道音頻傳輸?shù)氖疽鈭D，一次PCM_SYNC（FS）的跳變啟動(dòng)一個(gè)PCM Frame的傳輸，一個(gè)PCM Frame包含四個(gè)獨(dú)立通道的音頻采樣數(shù)據(jù)，每個(gè)通道的采樣數(shù)據(jù)占據(jù)固定的時(shí)隙。
所以本質(zhì)上，PCM接口也是以TDM時(shí)分復(fù)用的方式在在一根DIN和DOUT線上使用不同的時(shí)隙傳輸多個(gè)通道的音頻采樣數(shù)據(jù)。 |
