了解常用音频接口，看这篇全了！

概述

数字音频接口DAI，即Digital Audio Interfaces，顾名思义，DAI表示在板级或板间传输数字音频信号的方式。相比于模拟接口，数字音频接口抗干扰能力更强，硬件设计简单，DAI在音频电路设计中得到越来越广泛的应用。图1和图2对比传统的音频信号和数字音频信号链的区别。

在传统的音频电路（图1）中有麦克风、前置放大器、模/数转换器ADC、数/模转换器DAC、输出放大器，以及扬声器，它们之间使用模拟信号连接。随着技术的发展和对性能考虑，模拟电路逐渐被推到链路的两端（集成到设备内部），信号链中各集成电路间将出现更多的数字接口形式。DSP通常都是数字接口的；换能器（Transducers, i.e. Mic & Speaker）、放大器一般而言只有模拟接口，但现在也正在逐渐集成数字接口功能。目前，集成电路设计人员正在将换能器内的ADC、DAC和调制器集成到信号链一端，这样就不必在PCB上走任何模拟音频信号，并且减少了信号链中的器件数量。图2给出了一个完整数字音频接口的例子。

传统的音频信号链路

数字音频信号链路

数字音频信号的传输标准，如I2S、PCM (Pulse Code Modulation) 和PDM (Pulse Density Modulation)主要用于同一块电路板上芯片之间音频信号的传输；Intel HDA (Intel High Definition Audio) 用于PC的Audio子系统（声卡）应用；S/PDIF和Ethernet AVB主要应用于板间长距离及需要电缆连接的场合。

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

ASLA - Advanced Sound Linux Architecture

OSS - 以前的Linux音频体系结构，被ASLA取代并兼容

Codec - Coder/Decoder

I2S/PCM/AC97 - Codec与CPU间音频的通信协议/接口/总线

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

PCM - Pulse Code Modulation 一种从音频模拟信号转换成数字信号的技术，区别于PCM音频通信协议

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

Codec - 音频编解码器Codec负责处理音频信息，包括ADC,DAC,Mixer,DSP,输入输出以及音量控制等所有与音频相关的功能。Codec与处理器之间通过I2C总线和数字音频接口DAI进行通信。

I2S接口

1. I2S简介

I2S全称Inter-IC Sound, Integrated Interchip Sound，或简写IIS，是飞利浦在1986年定义（1996年修订）的数字音频传输标准，用于数字音频数据在系统内部器件之间传输，例如编解码器CODEC、DSP、数字输入/输出接口、ADC、DAC和数字滤波器等。除了都是由飞利浦定义外，I2S和I2C没有任何关系。

I2S是比较简单的数字接口协议，没有地址或设备选择机制。在I2S总线上，只能同时存在一个主设备和发送设备。主设备可以是发送设备，也可以是接收设备，或是协调发送设备和接收设备的其它控制设备。在I2S系统中，提供时钟（SCK和WS）的设备为主设备。图3是常见的I2S系统框图。在高端应用中，CODEC经常作为I2S的主控设备以精确控制I2S的数据流。

I2S系统通信配置框图

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

AC97（Audio Codec 1997）是以Intel为首的五个PC厂商Intel、Creative Labs、NS、Analog Device与Yamaha共同提出的规格标准。与PCM和IIS不同，AC’97不只是一种数据格式，用于音频编码的内部架构规格，它还具有控制功能。AC’97采用AC-Link与外部的编解码器相连，AC-Link接口包括位时钟（BITCLK）、同步信号校正（SYNC）和从编码到处理器及从处理器中解码（SDATDIN与SDATAOUT）的数据队列。AC’97数据帧以SYNC脉冲开始，包括12个20位时间段（时间段为标准中定义的不同的目的服务）及16位“tag”段，共计256个数据序列。例如，时间段“1”和“2”用于访问编码的控制寄存器，而时间段“3”和“4”分别负载左、右两个音频通道。“tag”段表示其他段中哪一个包含有效数据。把帧分成时间段使传输控制信号和音频数据仅通过4根线到达9个音频通道或转换成其他数据流成为可能。与具有分离控制接口的IIS方案相比，AC’97明显减少了整体管脚数。一般来说，AC’97编解码器采用TQFP48封装。

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。

在PDM输出麦克风内部，可以发现一个小型ADC IC(调制器)，其用于将MEMS传感器输出的模拟信号转换为PDM信号流。这种音频转换器技术所生成的信号，其低频频谱接近所需音频信号，而高频寄生部分的频率在某个拐点频率之上随频率上升快速升高，基本落在最终产品需要使用的音频频率范围之外。

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）。

输入信号被发送到差分区，在差分块中从中减去反馈信号。产生的信号被发送到积分器，积分器的输出作用于比较器。比较器将参考电压与积分器的输出进行比较，并相应地产生“0”或“1”。

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)。

从实际工程设计的角度来看，典型PDM麦克风应有电源引脚、接地引脚，当然还需要时钟输入引脚、数据输出引脚和通道选择引脚**。根据通道选择引脚的状态，麦克风的输出在时钟信号处于低电平或高电平状态为活跃状态，在另一状态下处于高阻抗。这种聪颖的设计意味着可以用一根话筒线多路复用两个麦克风，这样立体声PDM接口仅需两根线缆，即时钟输出线缆和一根同时支持两个声道的数据返回线。

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）。

下图为Maxim的Class-D类型功放MAX98358对PDM接口时序的要求，可以看到它在PDM_CLK的上升沿采样左声道数据，在PDM_CLK下降沿采样右声道数据。、

MIPI SLIMbus

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。

SLIMbus v2.0是两线制，多分支TDM接口，支持多主机和多个设备。它采用以高达28MHz的单数据速率（SDR）运行的CMOS I / O，具有固定的帧大小，支持主控和时钟切换功能，以实现低功耗操作。SLIMbus v2.0还支持多个多通道，高质量音频流，相位相干性，以实现立体声，麦克风阵列和其他引人注目的功能。它还支持每台设备最多八个通道的可扩展带宽，以使峰值聚合带宽最高达到224Mbps。

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。