Audio Codec的音频接口总结之数字音频接口

    本文基于对市场上常用的Audio Codec TLV320AI3101的数据手册进行总结和学习，从中更深入的总结通用audio codec的输入输出接口及其内部的信号处理流程，以此建立对audio codec及其音频处理流程的更为全面的认识。

全文分为三个部分：
    • 模拟音频输入接口
    • 模拟音频输出接口
    • 数字音频接口
    本文是其中的数字音频接口部分。

    • 把模拟麦克风采集的音频数据经过AD转换以后得到的数字音频数据，通过数字音频接口传输给DSP进行进一步的处理。
    • 通过数字音频接口接收DSP传输过来的数字音频数据，经过DA转换以后在扬声器、耳机等设备上播放出来。
    而对于Audio Codec而言，最常用的数字音频接口就是I2S接口。一路I2S接口可以用于传输包含两路独立音频数据流的双声道音频数据。为了利用I2S的硬件接口同时传输更多路的音频数据，部分Audio Codec也会在I2S硬件接口上提供TDM时分复用的方式传输多路音频数据的音频传输协议。

    I2S(Inter-IC Sound)是一种同步串行接口，专门用于音频数据的传输，具有简单、高效和抗干扰能力强的特点。I2S接口传输的是数字音频数据，通常以PCM（脉冲编码调制）格式表示，实际上也就是Audio Codec中从麦克风采集语音数据经过AD转换后的数字音频数据，或者从DSP接收到的、需要通过Audio Codec进行DA转换后在扬声器播放出来的数字音频数据。
    通过I2S所传输的数字音频数据对应的参数包括采样率（如16KHz、32KHz、44.1kHz、48kHz等）、位深（如16位、24位等）和声道数（如立体声双声道）。具体的传输过程中，I2S接口通过时钟信号来同步音频数据的传输。它使用多个时钟信号来控制数据的发送和接收，确保音频数据的准确传输。

I2S硬件接口的信号线包括：
    • SDIN/SDOUT（Serial Data）：串行数据线，用于对外或者对内传输数字音频数据。
    • WCLK（Word Clock）：字选择信号，用于指示当前传输的是左声道还是右声道数据。通常WCLK为高电平时传输左声道数据，为低电平时传输右声道数据。
    • BCLK（Bit Clock）：串行位时钟线，用于控制数据的采样速率。音频数据在BCLK的上升沿或下降沿被采样。
    下图是TLV320AIC3101的I2S工作时序图。在I2S标准中，数据在WCLK边沿（上升沿或下降沿）延迟1个时钟周期（BCLK）后开始传输下一个声道的MSB数据位。

    如上所述，一路I2S接口只能以左右声道的方式用于传输两路独立的音频数据，形成双声道立体声的音频效果。但是很多时候我们的产品（例如包含麦克风阵列的功能）想要传输更多路独立音频流的时候，除了使用多路独立的I2S接口以外，还可以使用TDM接口来解决这个问题。
    在硬件接口上，TDM接口与I2S接口共享同一组物理引脚（DOUT/DIN、SCK、WS），只不过数据传输协议不同。I2S模式可用于传输双通道（立体声）音频数据；TDM模式则用于使用相同的物理接口同时传输多通道（2~8通道）音频数据，通过时隙划分复用同一数据线。
    在音频Codec中，TDM接口可以用于在单条数据线上传输多个独立音频通道的采样数据，每个通道的数据按预先分配的时间槽（Time Slot）依次传输。在具体的工作过程中，TDM接口和协议会将数据传输周期划分为多个时隙，每个时隙分配给一个独立的音频数据通道。例如，若TDM支持8个时隙，则可传输8个通道的音频数据，8个通道轮流使用自己的时隙传输数据。
    下图是TLV320AIC3101的TDM数据传输时序图。可以看到，使用TDM模式进行多路音频数据传输使用了与I2S相同的硬件接口和物理引脚，只不过不再使用Word Clock区分左右声道，而是在Data In和Data Out固定设置不同音频流所使用的传输时隙，因此，对于使用TDM接口进行多路音频数据传输的上下游设备而言，需要提前协商清楚并设置好同时传输几路音频流，以及各路音频流在传输时序中的时隙才行。

    其实除了以上的I2S接口和TDM接口以外，在一些Audio Codec上还有一种用于传输数字音频信号的PCM接口（TLV320AIC3101没有PCM接口），该接口多用于语音通信和多通道数据传输场景。
    PCM接口一般用于传输未经压缩的多通道（能够更灵活的支持多通道是PCM接口与I2S之间的最大差别）线性PCM音频数据，可支持语音、音乐等多种场景。
    具体的使用过程中，PCM接口的典型应用场景就是与单设备多通道、多设备多通道等形态的音频设备进行连接，通过一组PCM接口可以实现多个独立的音频通道的音频数据的传输。例如：
    • 1个8通道ADC芯片通过PCM接口连接Host，每个时隙传输1个通道的采样数据。
    • Host通过1个PCM接口连接4个单声道麦克风（每个设备占用1个时隙）。

    从接口的硬件定义上，PCM接口与I2S接口很类似，通常包含以下数据线：
    • PCM_CLK（位时钟）：由主设备生成和控制，频率为采样率 × 位宽 × 通道数。例如在16位、8通道、48 kHz采样率的情况下，PCM_CLK频率 = 48k × 16 × 8 = 6.144 MHz。
    • PCM_SYNC（帧同步）：由主设备生成和控制，标识音频帧的起始位置，频率等于采样率。
    • PCM_DIN（数据输入）与 PCM_DOUT（数据输出）：传输多通道音频数据。
    从以上PCM接口所包含的数据线可以看到，PCM_CLK、PCM_DIN、PCM_DOUT的定义与I2S没有区别，双方之间的区别主要是在I2S的WCLK和PCM的PCM_SYNC上。

    要彻底解释清楚这两者的差异，首先要弄清楚PCM接口中用于作为帧同步信号的PCM_SYNC中的音频帧是什么意思。
    PCM接口中所传输的音频帧，总是由PCM_SYNC的一次跳变（跳变边沿可编程设置）来启动传输，而一个音频帧中包含了PCM接口所连接的多通道中每一个通道的一个音频采样数据，每个音频采样数据占据一个固定的时隙，各个通道在音频帧中所占据的时隙在Host和Device两端的寄存器中进行设置。在这种PCM接口连接多通道音频设备的情况下，一个音频帧被分为多个时隙，每个时隙包含其中一个通道的音频采样数据，整个音频帧由PCM_SYNC信号触发开始一个完整的数据传输周期（即这个音频帧的周期）。
    如下图所示的PCM接口连接的四通道音频传输的示意图，一次PCM_SYNC（FS）的跳变启动一个PCM Frame的传输，一个PCM Frame包含四个独立通道的音频采样数据，每个通道的采样数据占据固定的时隙。

    所以本质上，PCM接口也是以TDM时分复用的方式在在一根DIN和DOUT线上使用不同的时隙传输多个通道的音频采样数据。

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