作者：Terry Yuan 公司：駿龍科技
摘要：本文主要介紹在PCBA里，音頻都是通過一些什么樣的常用格式來傳輸的，以幫助大家選取合適的格式來進行上下級音頻芯片的橋接。
在 PCB 板內的音頻設計時，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。在早些時期，因為數字信號音頻處理技術不是很發達，同時數字信號處理器沒這么先進，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現的。后來隨著數字信號處理器的算力制程不斷提高，成本迎來下探，開始有越來越多的音頻以數字的音頻格式來處理，以實現各種各樣的效果。接下來將為大家就音頻的板內通訊做相關介紹。
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。它們即使全部通過電容電阻以及運放來搭建，也一樣能夠設計出非常優秀的 FB 和 FF filter。
由于從前生產的一致性比較差，到后來被數字方案所替代，包括以前樂器設備的混響器、變調器和模擬功放等等，但它們仍舊具有很多優勢，主要體現上產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的聲音效果，同時也不需要進行模擬到數字的轉換，也沒有什么失真。但是一般硬件的搭建都比較麻煩，而且實現一個功能頗為復雜，不適合添加更多的功能效果，因此后來也慢慢被數字芯片取代以實現更多效果。
現在我們一般都是在產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、麥克風輸入等。設備外的音頻傳輸一般使用模擬信號，更多時候可以通過放大器進行調制就會進入編解碼器芯片進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比較多，以下列舉一些常見的數字音頻格式，并介紹它們對應適合的應用場景。
IIS 協議接口：
IIS（Inter-IC Sound bus）又稱 I2S，是飛利浦公司提出的串行數字音頻總線協議。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議，非常適用于各種應用場景。
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：主時鐘。嚴格意義上， MCLK 不歸屬于這個協議范圍之內，因為器件的啟動都需要主時鐘的輸入，同時我們的 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 作為了時鐘的主導。
• BCLK：數據位時鐘。每一個脈沖對應著數字音頻的一個數據位，在 IIS 里，一般位時鐘的頻率 = 2* 采樣頻率 * 采樣位深。
• LRCLK：左右時鐘頻率。主要用于區分 IIS 里面的 2 個聲道，它的高低分別對應了不同的聲道，一般是對稱的，但是不一定要嚴格保持對稱。頻率和采樣頻率需保持一致。
• SD：串行音頻數據輸入輸出。其主要是通過二進制的補碼來表示的音頻數據，在 BCLK 和 LRCLK 里面的有效位中進行傳輸。
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 的位置來定，有的還有好幾種其他模式，這個主要取決于芯片對這些模式的支持。不過在芯片橋接時，我們要保持 2 個芯片的對齊方式是能對應起來的，不然一定會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，一般低電平在 0.4V，高電平在 2.4V 左右。建立時間根據 datasheet 上面的設定為準。下圖 (圖1) 為某芯片的 IIS 協議：
圖1 IIS Port Timing
TDM 協議接口：
TDM 協議可以理解為 IIS 的變體，因為 IIS 只能夠傳輸兩個通道的數據，然而這在實際應用中是遠遠不夠用的。為了傳輸多個通道的數據，所以就出現了 TDM (時分復用) 模式。IIS 實際上也就是 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中已經描述清楚。
• BCLK：數據位時鐘。和 IIS 一樣，時鐘頻率 = 通道數 * 采樣頻率 * 采樣位深。
• SYNC：幀同步時鐘。類比 LRCLK，只是命名不同，同樣是用來區別不同通道，但是它的格式會有不一樣，有 50% / 50% 占空比模式，也有 Pluse 模式，要根據情況進行配置，時鐘頻率 = 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 的類似。下圖（圖2）為某芯片的 TDM16 的協議：
圖2 TDM16 Port Timing
PCM與DSD協議接口：
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量的場景。我們所熟悉的 PCM384、PCM768 以及 DSD256、DSD512 等等都是用在 HIFI 的場景里，它們的接口傳輸模型也類似于上面二者，具體的差異點因不同廠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行傳輸，對于 TDM 來說，一般用到 TDM32 就已經非常大了，帶寬能夠達到 49.125Mhz，在這里面傳輸的是 32 個通道的 48khz 32bit 的數據。然而在這些 DSD256 里面，需要 11.2896Mhz，這可能只是一個通道的帶寬，所以可想而知，數據量將會有多么龐大。
這些芯片接口的 IP 都要有專門的設計，因此要根據廠商的芯片進行匹配，由于并不是嚴格統一的，所以不再列舉。產品應用多見于聲卡、HIFI類播放器等場景。
PDM 協議接口：
PDM（脈沖密度調制），最多的應用場景是數字麥克風接口，一般就是 3 根線，一根 Data 線、一根時鐘線、一根 LR 的片選線。
• PDMCLK：PDM 時鐘線。根據采樣頻率以及深度的不同，一般 3.072Mhz 居多。
• LRCS：數字麥克風上的常用接口，用于區別具體的麥克風通道選擇。
• DATA：高電平或低電平有效。
下圖（圖3）為某麥克風的 PDM 的協議:
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，只不過載體不同，接口和連線外觀也有差異。光信號傳輸是今后流行的趨勢，其主要優勢在于無需考慮接口電平及阻抗問題，接口靈活且抗干擾能力更強。
S/PDIF 基本上是 2 根線，SPDIFIN 以及 SPDIFOUT，沒有時鐘線，可以板外傳輸。雖然線少，但是驅動層可配置的寄存器頗多，使用雙相標記代碼將時鐘信號嵌入數據中。
S/PDIF 發射機由兩個音頻通道組成，在一個硬件引腳 (SPDIFOUT) 上輸出。使用雙相標記代碼將時鐘信號嵌入數據中。S/PDIF 輸入和輸出字長可以獨立地設置為 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會 AES3 專業規范，也是 TTL 的電平規范。
以上介紹的基本上都是一些 DAI 的接口類型，在 PCBA 內部走線用的頗多，當然還會有一些其他的接口類型，包括雙 DSP 中的級聯 Link-Port，這個在 ADI 的 ADSP-2156X 系列之上的產品都有，用于高帶寬的吞吐量的傳輸。在處理器中，是可以通過打包音頻數據的方式進行串行輸入輸出的，只是因為用的太少，所以我們一般不采取這樣的方式，同時也還有一些其他的方式，比如 USB 音頻（USB 接口中常用到），MIPI 聯盟中的 SLIMBUS、A2B 協議等等。
總結
根據上面的介紹，相信大家對板間的數字通訊開始有一定的了解，在實際的設計過程中，要根據產品需求出發，合理地適配相應的協議，從而進行傳輸。每一種不同的協議都有其使用場景，對于上下游的芯片間也必須支持該接口規范，協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法出聲的問題。
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