ADI 音頻在 PCBA 里的通用傳輸格式

    在 PCB 板內(nèi)的音頻設(shè)計(jì)時(shí)，我們一般都是以模擬和數(shù)字兩種格式為主，模擬音頻主要用于承接各種模擬接口的音頻輸入。在早些時(shí)期，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)音頻處理技術(shù)不是很發(fā)達(dá)，同時(shí)數(shù)字信號(hào)處理器沒這么先進(jìn)，加之成本較高昂，所以早期對(duì)于音頻信號(hào)的處理都是以模擬的方式實(shí)現(xiàn)的。后來(lái)隨著數(shù)字信號(hào)處理器的算力制程不斷提高，成本迎來(lái)下探，開始有越來(lái)越多的音頻以數(shù)字的音頻格式來(lái)處理，以實(shí)現(xiàn)各種各樣的效果。接下來(lái)將為大家就音頻的板內(nèi)通訊做相關(guān)介紹。

    模擬音頻的板內(nèi)通訊

    和大多數(shù)模擬信號(hào)一樣，模擬音頻在板內(nèi)基本上以單端和差分這兩種方式出現(xiàn)，對(duì)于音頻這種周期波，頻帶范圍為 20hz~20khz。在以前的板內(nèi)，有些音頻電子產(chǎn)品是以模擬音頻的方式出現(xiàn)的，比如早期的 ANC 耳機(jī)。它們即使全部通過(guò)電容電阻以及運(yùn)放來(lái)搭建，也一樣能夠設(shè)計(jì)出非常優(yōu)秀的 FB 和 FF filter。

    由于從前生產(chǎn)的一致性比較差，到后來(lái)被數(shù)字方案所替代，包括以前樂器設(shè)備的混響器、變調(diào)器和模擬功放等等，但它們?nèi)耘f具有很多優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)上產(chǎn)品的放大器的染色上，有很多我們目前的數(shù)字系統(tǒng)都不能完美模仿出來(lái)的聲音效果，同時(shí)也不需要進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，也沒有什么失真。但是一般硬件的搭建都比較麻煩，而且實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能頗為復(fù)雜，不適合添加更多的功能效果，因此后來(lái)也慢慢被數(shù)字芯片取代以實(shí)現(xiàn)更多效果。

    現(xiàn)在我們一般都是在產(chǎn)品的接口上使用模擬音頻輸入或者輸出，常見有喇叭播放聲音、Line-in 外接音源、麥克風(fēng)輸入等。設(shè)備外的音頻傳輸一般使用模擬信號(hào)，更多時(shí)候可以通過(guò)放大器進(jìn)行調(diào)制就會(huì)進(jìn)入編解碼器芯片進(jìn)行數(shù)字化輸入處理了。

    數(shù)字音頻的板內(nèi)通訊

    數(shù)字音頻在板內(nèi)的通訊格式種類比較多，以下列舉一些常見的數(shù)字音頻格式，并介紹它們對(duì)應(yīng)適合的應(yīng)用場(chǎng)景。

    IIS 協(xié)議接口

    IIS (Inter-IC Sound bus) 又稱 I2S，是飛利浦公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議。目前很多音頻芯片和 MCU 都提供了對(duì) IIS 的支持，作為目前使用最為廣泛的芯片間二通道音頻傳輸協(xié)議，非常適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景。

    IIS 基本上就是三根線，有的可能有四根線，分別是 MCLK、BCLK、LRCLK、SD。

    MCLK：主時(shí)鐘。嚴(yán)格意義上， MCLK 不歸屬于這個(gè)協(xié)議范圍之內(nèi)，因?yàn)槠骷�的啟�?dòng)都需要主時(shí)鐘的輸入，同時(shí)我們的 BCLK 基本上是從 MCLK 分頻或者倍頻而得到的，所以在常見的不帶晶振的 AD、DA 芯片中，需要這么一個(gè)輸入。例如 ADI 的 ADAU197X 系列，如果有的器件不需要 MCLKIN，那么一般是以 BCLK 作為了時(shí)鐘的主導(dǎo)。

    BCLK：數(shù)據(jù)位時(shí)鐘。每一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)著數(shù)字音頻的一個(gè)數(shù)據(jù)位，在 IIS 里，一般位時(shí)鐘的頻率 = 2* 采樣頻率 * 采樣位深。

    LRCLK：左右時(shí)鐘頻率。主要用于區(qū)分 IIS 里面的 2 個(gè)聲道，它的高低分別對(duì)應(yīng)了不同的聲道，一般是對(duì)稱的，但是不一定要嚴(yán)格保持對(duì)稱。頻率和采樣頻率需保持一致。

    SD：串行音頻數(shù)據(jù)輸入輸出。其主要是通過(guò)二進(jìn)制的補(bǔ)碼來(lái)表示的音頻數(shù)據(jù)，在 BCLK 和 LRCLK 里面的有效位中進(jìn)行傳輸。

    IIS 的對(duì)齊方式目前主要有左對(duì)齊和右對(duì)齊，一般根據(jù) MSB 和 LSB 的位置來(lái)定，有的還有好幾種其他模式，這個(gè)主要取決于芯片對(duì)這些模式的支持。不過(guò)在芯片橋接時(shí)，我們要保持 2 個(gè)芯片的對(duì)齊方式是能對(duì)應(yīng)起來(lái)的，不然一定會(huì)導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。

    電平方式采用的 TTL 電平，輸入輸出的判定閾值電壓根據(jù)芯片規(guī)定來(lái)，一般低電平在 0.4V，高電平在 2.4V 左右。建立時(shí)間根據(jù) datasheet 上面的設(shè)定為準(zhǔn)。下圖 (圖1) 為某芯片的 IIS 協(xié)議：

圖1 IIS Port Timing

    TDM 協(xié)議接口

    TDM 協(xié)議可以理解為 IIS 的變體，因?yàn)?IIS 只能夠傳輸兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)，然而這在實(shí)際應(yīng)用中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用的。為了傳輸多個(gè)通道的數(shù)據(jù)，所以就出現(xiàn)了 TDM (時(shí)分復(fù)用) 模式。IIS 實(shí)際上也就是 TDM2 的一種，所以傳輸中它的硬件連接和管腳定義和 IIS 基本一樣。

    TDM 基本上也是三根線，MCLK 除外，其作用在 IIS 中已經(jīng)描述清楚。

    BCLK：數(shù)據(jù)位時(shí)鐘。和 IIS 一樣，時(shí)鐘頻率 = 通道數(shù) * 采樣頻率 * 采樣位深。

    SYNC：幀同步時(shí)鐘。類比 LRCLK，只是命名不同，同樣是用來(lái)區(qū)別不同通道，但是它的格式會(huì)有不一樣，有 50% / 50% 占空比模式，也有 Pluse 模式，要根據(jù)情況進(jìn)行配置，時(shí)鐘頻率 = 采樣頻率。

    SD：數(shù)據(jù)位輸入輸出，與 IIS 保持一致。

    另外，它的對(duì)齊方式和電平方式也和 IIS 的類似。下圖 (圖2) 為某芯片的 TDM16 的協(xié)議：

圖2 TDM16 Port Timing

    PCM 與 DSD 協(xié)議接口

    PCM (脈沖編碼調(diào)制) 與 DSD (直接流數(shù)字編碼)，這兩種編碼格式，輸出的數(shù)字接口一般是用在非常高質(zhì)量的場(chǎng)景。我們所熟悉的 PCM384、PCM768 以及 DSD256、DSD512 等等都是用在 HIFI 的場(chǎng)景里，它們的接口傳輸模型也類似于上面二者，具體的差異點(diǎn)因不同廠商的設(shè)計(jì)而有所不同。

    由于這兩種都是將模擬音頻轉(zhuǎn)成數(shù)字碼流的形式進(jìn)行傳輸，對(duì)于 TDM 來(lái)說(shuō)，一般用到 TDM32 就已經(jīng)非常大了，帶寬能夠達(dá)到 49.125Mhz，在這里面?zhèn)鬏數(shù)氖?32 個(gè)通道的 48khz 32bit 的數(shù)據(jù)。然而在這些 DSD256 里面，需要 11.2896Mhz，這可能只是一個(gè)通道的帶寬，所以可想而知，數(shù)據(jù)量將會(huì)有多么龐大。

    這些芯片接口的 IP 都要有專門的設(shè)計(jì)，因此要根據(jù)廠商的芯片進(jìn)行匹配，由于并不是嚴(yán)格統(tǒng)一的，所以不再列舉。產(chǎn)品應(yīng)用多見于聲卡、HIFI類播放器等場(chǎng)景。

    PDM 協(xié)議接口

    PDM (脈沖密度調(diào)制)，最多的應(yīng)用場(chǎng)景是數(shù)字麥克風(fēng)接口，一般就是 3 根線，一根 Data 線、一根時(shí)鐘線、一根 LR 的片選線。

    PDMCLK：PDM 時(shí)鐘線。根據(jù)采樣頻率以及深度的不同，一般 3.072Mhz 居多。

    LRCS：數(shù)字麥克風(fēng)上的常用接口，用于區(qū)別具體的麥克風(fēng)通道選擇。

    DATA：高電平或低電平有效。

    下圖 (圖3) 為某麥克風(fēng)的 PDM 的協(xié)議:

圖3 PDM Port Timing

    SPDIF 接口

    S/PDIF，代表 Sony/Phillips Digital Interface (索尼/飛利浦?jǐn)?shù)字接口)，是一種傳輸數(shù)字音頻的接口。就傳輸載體而言，SPDIF 又分為同軸和光纖兩種。它們可傳輸?shù)男盘?hào)是相同的，只不過(guò)載體不同，接口和連線外觀也有差異。光信號(hào)傳輸是今后流行的趨勢(shì)，其主要優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需考慮接口電平及阻抗問題，接口靈活且抗干擾能力更強(qiáng)。

    S/PDIF 基本上是 2 根線，SPDIFIN 以及 SPDIFOUT，沒有時(shí)鐘線，可以板外傳輸。雖然線少，但是驅(qū)動(dòng)層可配置的寄存器頗多，使用雙相標(biāo)記代碼將時(shí)鐘信號(hào)嵌入數(shù)據(jù)中。

    S/PDIF 發(fā)射機(jī)由兩個(gè)音頻通道組成，在一個(gè)硬件引腳 (SPDIFOUT) 上輸出。使用雙相標(biāo)記代碼將時(shí)鐘信號(hào)嵌入數(shù)據(jù)中。S/PDIF 輸入和輸出字長(zhǎng)可以獨(dú)立地設(shè)置為 16、20 或 24 位。

    S/PDIF 接口符合 S/PDIF 消費(fèi)者性能規(guī)范，但不符合音頻工程協(xié)會(huì) AES3 專業(yè)規(guī)范，也是 TTL 的電平規(guī)范。

    以上介紹的基本上都是一些 DAI 的接口類型，在 PCBA 內(nèi)部走線用的頗多，當(dāng)然還會(huì)有一些其他的接口類型，包括雙 DSP 中的級(jí)聯(lián) Link-Port，這個(gè)在 ADI 的 ADSP-2156X 系列之上的產(chǎn)品都有，用于高帶寬的吞吐量的傳輸。在處理器中，是可以通過(guò)打包音頻數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行串行輸入輸出的，只是因?yàn)橛玫奶�少，所以我們一般不采取這樣的方式，同時(shí)也還有一些其他的方式，比如 USB 音頻 (USB 接口中常用到)，MIPI 聯(lián)盟中的 SLIMBUS、A2B 協(xié)議等等。

    總結(jié)

    根據(jù)上面的介紹，相信大家對(duì)板間的數(shù)字通訊開始有一定的了解，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)產(chǎn)品需求出發(fā)，合理地適配相應(yīng)的協(xié)議，從而進(jìn)行傳輸。每一種不同的協(xié)議都有其使用場(chǎng)景，對(duì)于上下游的芯片間也必須支持該接口規(guī)范，協(xié)議間的主從接口之間也需要匹配好，這樣才能減少我們?cè)谂渲弥袩o(wú)法出聲的問題。