作者:Terry Yuan 公司:駿龍科技
摘要:本文主要介紹在PCBA里,音頻都是通過(guò)一些什么樣的常用格式來(lái)傳輸的,以幫助大家選取合適的格式來(lái)進(jìn)行上下級音頻芯片的橋接。
在 PCB 板內的音頻設計時(shí),我們一般都是以模擬和數字兩種格式為主,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,因為數字信號音頻處理技術(shù)不是很發(fā)達,同時(shí)數字信號處理器沒(méi)這么先進(jìn),加之成本較高昂,所以早期對于音頻信號的處理都是以模擬的方式實(shí)現的。后來(lái)隨著(zhù)數字信號處理器的算力制程不斷提高,成本迎來(lái)下探,開(kāi)始有越來(lái)越多的音頻以數字的音頻格式來(lái)處理,以實(shí)現各種各樣的效果。接下來(lái)將為大家就音頻的板內通訊做相關(guān)介紹。
模擬音頻的板內通訊
和大多數模擬信號一樣,模擬音頻在板內基本上以單端和差分這兩種方式出現,對于音頻這種周期波,頻帶范圍為 20hz~20khz。在以前的板內,有些音頻電子產(chǎn)品是以模擬音頻的方式出現的,比如早期的 ANC 耳機。它們即使全部通過(guò)電容電阻以及運放來(lái)搭建,也一樣能夠設計出非常優(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)被數字方案所替代,包括以前樂(lè )器設備的混響器、變調器和模擬功放等等,但它們仍舊具有很多優(yōu)勢,主要體現上產(chǎn)品的放大器的染色上,有很多我們目前的數字系統都不能完美模仿出來(lái)的聲音效果,同時(shí)也不需要進(jìn)行模擬到數字的轉換,也沒(méi)有什么失真。但是一般硬件的搭建都比較麻煩,而且實(shí)現一個(gè)功能頗為復雜,不適合添加更多的功能效果,因此后來(lái)也慢慢被數字芯片取代以實(shí)現更多效果。
現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(jiàn)有喇叭播放聲音、Line-in 外接音源、麥克風(fēng)輸入等。設備外的音頻傳輸一般使用模擬信號,更多時(shí)候可以通過(guò)放大器進(jìn)行調制就會(huì )進(jìn)入編解碼器芯片進(jìn)行數字化輸入處理了。
數字音頻的板內通訊
數字音頻在板內的通訊格式種類(lèi)比較多,以下列舉一些常見(jiàn)的數字音頻格式,并介紹它們對應適合的應用場(chǎng)景。
IIS 協(xié)議接口:
IIS(Inter-IC Sound bus)又稱(chēng) I2S,是飛利浦公司提出的串行數字音頻總線(xiàn)協(xié)議。目前很多音頻芯片和 MCU 都提供了對 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,非常適用于各種應用場(chǎng)景。
IIS 基本上就是三根線(xiàn),有的可能有四根線(xiàn),分別是MCLK、BCLK、LRCLK、SD。
• MCLK:主時(shí)鐘。嚴格意義上, MCLK 不歸屬于這個(gè)協(xié)議范圍之內,因為器件的啟動(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(jiàn)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。
• BCLK:數據位時(shí)鐘。每一個(gè)脈沖對應著(zhù)數字音頻的一個(gè)數據位,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。主要用于區分 IIS 里面的 2 個(gè)聲道,它的高低分別對應了不同的聲道,一般是對稱(chēng)的,但是不一定要嚴格保持對稱(chēng)。頻率和采樣頻率需保持一致。
• SD:串行音頻數據輸入輸出。其主要是通過(guò)二進(jìn)制的補碼來(lái)表示的音頻數據,在 BCLK 和 LRCLK 里面的有效位中進(jìn)行傳輸。
IIS 的對齊方式目前主要有左對齊和右對齊,一般根據 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)芯片的對齊方式是能對應起來(lái)的,不然一定會(huì )導致采集的數據不準。
電平方式采用的 TTL 電平,輸入輸出的判定閾值電壓根據芯片規定來(lái),一般低電平在 0.4V,高電平在 2.4V 左右。建立時(shí)間根據 datasheet 上面的設定為準。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,因為 IIS 只能夠傳輸兩個(gè)通道的數據,然而這在實(shí)際應用中是遠遠不夠用的。為了傳輸多個(gè)通道的數據,所以就出現了 TDM (時(shí)分復用) 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(xiàn),MCLK除外,其作用在IIS中已經(jīng)描述清楚。
• BCLK:數據位時(shí)鐘。和 IIS 一樣,時(shí)鐘頻率 = 通道數 * 采樣頻率 * 采樣位深。
• SYNC:幀同步時(shí)鐘。類(lèi)比 LRCLK,只是命名不同,同樣是用來(lái)區別不同通道,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,要根據情況進(jìn)行配置,時(shí)鐘頻率 = 采樣頻率。
• SD:數據位輸入輸出,與 IIS 保持一致。
另外,它的對齊方式和電平方式也和 IIS 的類(lèi)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(脈沖編碼調制)與 DSD(直接流數字編碼),這兩種編碼格式,輸出的數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(lèi)似于上面二者,具體的差異點(diǎn)因不同廠(chǎng)商的設計而有所不同。
由于這兩種都是將模擬音頻轉成數字碼流的形式進(jìn)行傳輸,對于 TDM 來(lái)說(shuō),一般用到 TDM32 就已經(jīng)非常大了,帶寬能夠達到 49.125Mhz,在這里面傳輸的是 32 個(gè)通道的 48khz 32bit 的數據。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,數據量將會(huì )有多么龐大。
這些芯片接口的 IP 都要有專(zhuān)門(mén)的設計,因此要根據廠(chǎng)商的芯片進(jìn)行匹配,由于并不是嚴格統一的,所以不再列舉。產(chǎn)品應用多見(jiàn)于聲卡、HIFI類(lèi)播放器等場(chǎng)景。
PDM 協(xié)議接口:
PDM(脈沖密度調制),最多的應用場(chǎng)景是數字麥克風(fēng)接口,一般就是 3 根線(xiàn),一根 Data 線(xiàn)、一根時(shí)鐘線(xiàn)、一根 LR 的片選線(xiàn)。
• PDMCLK:PDM 時(shí)鐘線(xiàn)。根據采樣頻率以及深度的不同,一般 3.072Mhz 居多。
• LRCS:數字麥克風(fēng)上的常用接口,用于區別具體的麥克風(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/飛利浦數字接口),是一種傳輸數字音頻的接口。就傳輸載體而言,SPDIF 又分為同軸和光纖兩種。它們可傳輸的信號是相同的,只不過(guò)載體不同,接口和連線(xiàn)外觀(guān)也有差異。光信號傳輸是今后流行的趨勢,其主要優(yōu)勢在于無(wú)需考慮接口電平及阻抗問(wèn)題,接口靈活且抗干擾能力更強。
S/PDIF 基本上是 2 根線(xiàn),SPDIFIN 以及 SPDIFOUT,沒(méi)有時(shí)鐘線(xiàn),可以板外傳輸。雖然線(xiàn)少,但是驅動(dòng)層可配置的寄存器頗多,使用雙相標記代碼將時(shí)鐘信號嵌入數據中。
S/PDIF 發(fā)射機由兩個(gè)音頻通道組成,在一個(gè)硬件引腳 (SPDIFOUT) 上輸出。使用雙相標記代碼將時(shí)鐘信號嵌入數據中。S/PDIF 輸入和輸出字長(cháng)可以獨立地設置為 16、20 或 24 位。
S/PDIF 接口符合 S/PDIF 消費者性能規范,但不符合音頻工程協(xié)會(huì ) AES3 專(zhuān)業(yè)規范,也是 TTL 的電平規范。
以上介紹的基本上都是一些 DAI 的接口類(lèi)型,在 PCBA 內部走線(xiàn)用的頗多,當然還會(huì )有一些其他的接口類(lèi)型,包括雙 DSP 中的級聯(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)打包音頻數據的方式進(jìn)行串行輸入輸出的,只是因為用的太少,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
根據上面的介紹,相信大家對板間的數字通訊開(kāi)始有一定的了解,在實(shí)際的設計過(guò)程中,要根據產(chǎn)品需求出發(fā),合理地適配相應的協(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,對于上下游的芯片間也必須支持該接口規范,協(xié)議間的主從接口之間也需要匹配好,這樣才能減少我們在配置中無(wú)法出聲的問(wèn)題。
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