全面解析I2S、TDM、PCM音频总线

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包括两个声道（Left/Right）的数据，在主设备发出声道选择/字选择（WS）控制下进行左右声道数据切换。通过增加I2S接口的数目或其它I2S设备可以实现多声道（MulTI-Channels）应用。

2. 信号定义

在I2S传输协议中，数据信号、时钟信号以及控制信号是分开传输的。I2S协议只定义三根信号线：时钟信号SCK、数据信号SD和左右声道选择信号WS。

时钟信号 Serial Clock

SCK是模块内的同步信号，从模式时由外部提供，主模式时由模块内部自己产生。不同厂家的芯片型号，时钟信号叫法可能不同，也可能称BCLK/Bit Clock或SCL/Serial Clock

数据信号 Serial Data

SD是串行数据，在I2S中以二进制补码的形式在数据线上传输。在WS变化后的第一个SCK脉冲，先传输最高位（MSB, Most Significant Bit）。先传送MSB是因为发送设备和接收设备的字长可能不同，当系统字长比数据发送端字长长的时候，数据传输就会出现截断的现象/Truncated，即如果数据接收端接收的数据位比它规定的字长长的话，那么规定字长最低位（LSB: Least Significant Bit）以后的所有位将会被忽略。如果接收的字长比它规定的字长短，那么空余出来的位将会以0填补。通过这种方式可以使音频信号的最高有效位得到传输，从而保证最好的听觉效果。

根据输入或输出特性，不同芯片上的SD也可能称SDATA、SDIN、SDOUT、DACDAT、ADCDAT等；

数据发送既可以同步于SCK的上升沿，也可以是下降沿，但接收设备在SCK的上升沿采样，发送数据时序需考虑

左右声道选择信号 Word Select

WS是声道选择信号，表明数据发送端所选择的声道。当：

WS＝0，表示选择左声道

WS＝1，表示选择右声道

WS也称帧时钟，即LRCLK/Left Right Clock。WS频率等于声音的采样率。WS既可以在SCK的上升沿，也可以在SCK的下降沿变化。从设备在SCK的上升沿采样WS信号。数据信号MSB在WS改变后的第二个时钟（SCK）上升沿有效（即延迟一个SCK），这样可以让从设备有足够的时间以存储当前接收的数据，并准备好接收下一组数据。

3. I2S操作模式

根据SD相对于SCK和WS位置的不同，I2S分为三种不同的操作模式，分别为标准I2S模式、左对齐模式和右对齐模式：

I2S Phillips Standard I2S格式

Left JusTIfied Standard 左对齐格式

Right JusTIfied Standard 右对齐格式

I2S模式属于左对齐中的一种特例，也叫PHILIPS模式，是由标准左对齐格式再延迟一个时钟位变化来的。时序如下图所示，左声道的数据MSB在WS下降沿之后第二个SCK/BCLK上升沿有效，右声道数据的MSB在WS上升沿之后第二个SCK/BCLK上升沿有效。

标准左对齐较少使用，下图为左对齐时序图，和PHILIPS格式对比可以看出，标准左对齐格式的数据的MSB没有相对于BCLK延迟一个时钟。左对齐格式的左声道的数据MSB在WS上升沿之后SCK/BCLK的第一个上升沿有效；右声道的数据MSB在WS下降沿之后SCK/BCLK第一个上升沿有效。标准左对齐格式的优点在于，由于在WS变化后的第一个SCK上升沿就开始采样，它不需要关心左右声道数据的字长，只要WS的时钟周期足够长，左对齐的方式支持16-32bit字长格式。

标准右对齐也叫日本格式，EIAJ (Electronic Industries AssociaTIon of Japan) 或SONY格式，下图为右对齐时序图。右对齐格式左声道的数据LSB在WS下降沿的前一个SCK/BCLK上升沿有效，右声道的数据LSB在WS上升沿的前一个SCK/BCLK上升沿有效。相比于标准左对齐格式，标准右对齐的不足在于接收设备必须事先知道待传数据的字长。这也解释了为什么许多CODEC都会提供多种右对齐格式选择功能。

注：

标准左对齐和标准右对齐模式的LRCK/WS高低电平对应的左右声道与标准I2S模式的规定恰好相反！标准左右对齐LRCK/WS高电平对应左声道，LRCK/WS低电平对应右声道；而I2S低电平对应左声道，LRCK/WS高电平对应右声道！

4. I2S数据时钟（SCK）频率计算

例如：设声音的采样频率为44.1 kHz，即声道选择信号（帧时钟）WS的频率必须也为44.1 kHz；左/右2个声道的量化深度均为16 bit，则I2S的SCK的频率为：44.1 kHz×16×2＝1.4112 MHz

SCK = 采样率 * 位宽 * 通道数

WS = 采样率

如果需要传输20 bit、24 bit或32 bit的左右声道的数据，可以提高SCK的频率，由上式可以计算出需要的SCK的频率。

PCM接口

1. PCM简介

PCM (Pulse Code Modulation) 是通过等时间隔（即采样率时钟周期）采样将模拟信号数字化的方法。下图为 4 bit 采样深度的PCM数据量化示意图。

PCM数字音频接口，即说明接口上传输的音频数据通过PCM方式采样得到的，以区别于PDM方式。在音频领域，PCM接口常用于板级音频数字信号的传输，与I2S相似。PCM和I2S的区别于数据相对于帧时钟（FSYNC/WS）的位置、时钟的极性和帧的长度。其实，I2S上传输的也是PCM类型的数据，因此可以说I2S不过是PCM接口的特例。

相比于I2S接口，PCM接口应用更加灵活。通过时分复用（TDM, Time Division Multiplexing）方式，PCM接口支持同时传输多达N个（N>8）声道的数据，减少了管脚数目（实际上是减少I2S的“组”数，因为每组I2S只能传输两声道数据嘛）。TDM不像I2S有统一的标准，不同的IC厂商在应用TDM时可能略有差异，这些差异表现在时钟的极性、声道配置的触发条件和对闲置声道的处理等。

TDM/PCM数字音频接口的硬件拓扑结构也与I2S相近。

综合不少厂商的数据手册，笔者发现，在应用PCM音频接口传输单声道数据（如麦克风）时，其接口名称为PCM；双声道经常使用I2S；而TDM则表示传输两个及以上声道的数据，同时区别于I2S特定的格式。

2. 信号定义

PCM接口与I2S相似，电路信号包括：

PCM_CLK 数据时钟信号

PCM_SYNC 帧同步时钟信号

PCM_IN 接收数据信号

PCM_OUT 发送数据信号

TDM/PCM与I2S接口对应关系见下表：

3. 操作模式

根据 SD相对帧同步时钟FSYNC的位置，TDM分两种基本模式：

Mode A: 数据在FSYNC有效后，BCLK的第2个上升沿有效

Mode B: 数据在FSYNC有效后，BCLK的第1个上升沿有效

注：由于没有统一标准，不同厂商对Mode A和Mode B定义可能有所差别。

在实际应用中，总是以帧同步时钟FSYNC的上升沿表示一次传输的开始。帧同步时钟的频率总是等于音频的采样率，比如44.1 kHz，48 kHz等。多数应用只用到FSYNC的上升沿，而忽略其下降沿。根据不同应用FSYNC脉冲宽度的差别，PCM帧同步时钟模式大致分为两种：

长帧同步 Long Frame Sync

短帧同步 Short Frame Sync

注：

a. 长帧同步，如图所示，FSYNC脉冲宽度等于1个Slot的长度。Slot在TDM中表示的是传输单个声道所占用的位数。如图所示TI McASP接口的TDM包括6个Slots，即它最多可包括6声道数据。注意，Slot的位数并不一定等于音频的量化深度。比如Slot可能为32 bit，其中包括24 bit有效数据位（Audio Word） + 8 bit零填充（Zero Padding）。不同厂商对Slot的叫法可能有所区别，比如Circus Logic称之为Channel Block；

b. 短帧同步，FSYNC脉冲宽度等于1个BCLK周期长度；

c. 由于没有统一标准，不同厂商对FSYNC脉冲宽度及触发边沿的设置可能不同，以器件手册为准。

8-bit长帧同步模式

16bit 长帧同步模式

5. 时钟（BCLK）频率的计算

FSYNC的频率等于音频的采样率（例如44.1 kHz，48 kHz等）。Frame每次传输包括所有声道的数据。PCM采样音频数据量化深度一般在16-32bit（最常见为16/24bit）。那么对于8声道，每个声道32bit音频数据，采样率48kHz的系统，TDM的系统时钟速率为：8 × 32 × 48kHz ＝ 12.288 MHz

BCLK = 采样率 * 位宽 * 通道数

FYNC = 采样率

在器件Datasheet中，可以见到TDM128/TDM256/TDM384/TDM512等说法，数字的含义为单个TDM数据帧包含数据的比特数（即帧长）。TDM128：16bit * 8 channel。TDM256：32bit * 8channel。依次类推。