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硬件知识, 随手记

I2S协议简单介绍

本文转自【 http://www.only2fire.com/archives/108.html 】,有删改。

一、数字音频技术

1.声音数字化概念及过程

现实生活中的声音是通过一定介质传播的连续的波,它可以由周期和振幅两个重要指标描述。正常人可以听到的声音频率范围为 20Hz~20KHz。现实存在的声音是模拟量,这对声音保存和长距离传输造成很大的困难,一般的做法是把模拟量转成对应的数字量保存,在需要还原声音的地方再把数字量的转成模拟量输出。如下图所示:

模拟量转成数字量一般可以分为三个过程,分别为采样、量化、编码。用一个比源声音频率高的采样信号去量化源声音,记录每个采样点的值,最后如果把所有采样点数值连接起来与源声音曲线是互相吻合的,只是它不是连续的。在图中,两条蓝色虚线距离就是采样信号的周期,即对应一个采样频率(FS),可以想象得到采样频率越高最后得到的结果就与源声音越吻合,但此时采样数据量越越大,一般使用 44.1KHz 采样频率即可得到高保真的声音。每条蓝色虚线长度决定着该时刻源声音的量化值,该量化值有另外一个概念与之挂钩,就是量化位数。量化位数表示每个采样点用多少位表示数据范围,常用有 16bit、 24bit 或 32bit,位数越高最后还原得到的音质越好,数据量也会越大。

2.声音数字化三要素

采用频率:每秒钟抽取声波幅度样本的次数。采样频率越高,声音质量越好,数据量也越大。常用的采样频率有11.025KHz,22.05KHz,44.1KHz,48KHz,96KHz等。
量化位数:每个采样点用多少二进制位表示数据范围。量化位数也叫采样位数。量化位数越多,音质越好,数据量也越大。常用的采样位数有8位,16位,24位,32位等。
声道数:使用声道的个数。立体声比单声道的表现力丰富,但是数据量翻倍。常用的声道数有单声道,立体声(左声道和右声道)。

3.声音数字化的数据量

声音数字化后的数据量计算公式为:
音频数据量 = 采样频率(Hz) * 量化位数 * 声道数 / 8,单位:字节/秒。
这里举个例子:对一个声音信号进行数字化处理,采样频率为44.1KHz,量化位数为16位,那么:
单声道的音频数据量为:44100 * 16 * 1 / 8 = 88200 字节/秒;
立体声的音频数据量为:44100 * 16 * 2 / 8 = 176400 字节/秒。

4.声卡

声卡是负责录音、播音和声音合成的一种多媒体板卡。其功能包括:
(1).录制、编辑和回放数字音频文件;
(2).控制和混合各声源的音量;
(3).记录和回放时进行压缩和解压缩;
(4).语音合成技术(朗读文本);
(5).具有MIDI接口(乐器数字接口)。
声卡的芯片类型:
(1).CODEC芯片(依赖CPU,价格便宜);
(2).数字信号处理器DSP(不依赖CPU)。

二、I2S总线协议

1.I2S总线概述

音响数据的采集、处理和传输是多媒体技术的重要组成部分。众多的数字音频系统已经进入消费市场,例如数字音频录音带、数字声音处理器。对于设备和生产厂家来说,标准化的信息传输结构可以提高系统的适应性。

I2S(Inter-IC Sound)总线, 又称集成电路内置音频总线,是飞利浦半导体公司(现为恩智浦半导体公司)针对数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。该总线专门用于音频设备之间的数据传输,广泛应用于各种多媒体系统。它采用了沿独立的导线传输时钟与数据信号的设计,通过将数据和时钟信号分离,避免了因时差诱发的失真,为用户节省了购买抵抗音频抖动的专业设备的费用。

2.I2S信号线

I2S总线主要有3个信号线:
(1).串行时钟SCK
串行时钟SCK,也叫位时钟BCLK,对应数字音频的每一位数据,SCK都有1个脉冲。SCK的频率 = 声道数 * 采样频率 * 采样位数。
(2).字段选择信号WS
字段选择信号WS,也叫LRCLK,用于切换左右声道的数据。WS的频率 = 采样频率
字段选择信号WS表明了正在被传输的声道。I2S Philips标准WS信号的电平含义如下:WS为0,表示正在传输的是左声道的数据;WS为1,表示正在传输的是右声道的数据
(3).串行数据SD
串行数据SD,就是用二进制补码表示的音频数据。I2S串行数据在传输的时候,由高位(MSB)到低位(LSB)依次进行传输。

主时钟MCLK
一般还有MCLK,主时钟。MCLK的频率 = 128或者256或者512 * 采样频率。
对于系统而言,能够产生SCK和WS的信号端就是主设备,用MASTER表示,简单系统示意图如下:

3.几种常见的I2S数据格式

随着技术的发展,在统一的I2S硬件接口下,出现了多种不同的I2S数据格式,可分为左对齐(MSB)标准、右对齐(LSB)标准、I2S Philips 标准。对于所有数据格式和通信标准而言,始终会先发送最高有效位(MSB 优先)。发送端和接收端必须使用相同的数据格式,确保发送和接收的数据一致。

(1).I2S Philips 标准

使用LRCLK信号来指示当前正在发送的数据所属的声道,为0时表示左声道数据。LRCLK信号从当前声道数据的第一个位(MSB)之前的一个时钟开始有效。LRCLK信号在BCLK的下降沿变化。发送方在时钟信号BCLK的下降沿改变数据,接收方在时钟信号BCLK的上升沿读取数据。正如上文所说,LRCLK频率等于采样频率Fs,一个LRCLK周期(1/Fs)包括发送左声道和右声道数据。

对于这种标准I2S格式的信号,无论有多少位有效数据,数据的最高位总是出现在LRCLK变化(也就是一帧开始)后的第2个BCLK脉冲处。这就使得接收端与发送端的有效位数可以不同。如果接收端能处理的有效位数少于发送端,可以放弃数据帧中多余的低位数据;如果接收端能处理的有效位数多于发送端,可以自行补足剩余的位。这种同步机制使得数字音频设备的互连更加方便,而且不会造成数据错位。
I2S Philips 标准时序图如下所示:

(2).左对齐(MSB)标准

在LRCLK发生翻转的同时开始传输数据。该标准较少使用。注意此时LRCLK为1时,传输的是左声道数据,这刚好与I2S Philips标准相反。左对齐(MSB)标准时序图如下所示:

(3).右对齐(LSB)标准

声音数据LSB传输完成的同时,LRCLK完成第二次翻转(刚好是LSB和LRCLK是右对齐的,所以称为右对齐标准)。注意此时LRCLK为1时,传输的是左声道数据,这刚好与I2S Philips标准相反。右对齐(LSB)标准时序图如下所示:

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