數字音頻接口
數字音頻接口DAI，即Digital Audio Interfaces，顧名思義，DAI表示在板級或板間傳輸數字音頻信號的方式。相比於模擬接口，數字音頻接口抗幹擾能力更強，硬件設計簡單，DAI在音頻電路設計中得到越來越廣泛的應用。圖1和圖2對比傳統的音頻信號和數字音頻信號鏈的區別。
在傳統的音頻電路（圖1）中有麥克風、前置放大器、模/數轉換器ADC、數/模轉換器DAC、輸出放大器，以及揚聲器，它們之間使用模擬信號連接。隨著技術的發展和對性能考慮，模擬電路逐漸被推到鏈路的兩端（集成到設備內部），信號鏈中各集成電路間將出現更多的數字接口形式。DSP通常都是數字接口的；換能器（Transducers, i.e. Mic & Speaker）、放大器一般而言只有模擬接口，但現在也正在逐漸集成數字接口功能。 目前，集成電路設計人員正在將換能器內的ADC、DAC和調制器集成到信號鏈一端，這樣就不必在PCB上走任何模擬音頻信號，並且減少了信號鏈中的器件數量。圖2給出了一個完整數字音頻接口的例子。
圖1. 傳統的音頻信號鏈路
圖2. 數字音頻信號鏈路
數字音頻信號的傳輸標準，如I2S、PCM (Pulse Code Modulation) 和PDM (Pulse Density Modulation)主要用於同一塊電路板上芯片之間音頻信號的傳輸；Intel HDA (Intel High Definition Audio) 用於PC的Audio子系統（聲卡）應用； S/PDIF和Ethernet AVB主要應用於板間長距離及需要電纜連接的場合。
本文主要介紹I2S, PCM和PDM數字音頻接口，其它幾種接口將另文說明。
I2S接口
1. I2S簡介
I2S全稱Inter-IC Sound
I2S是比較簡單的數字接口協議，沒有地址或設備選擇機制。在I2S總線上，只能同時存在一個主設備和發送設備。主設備可以是發送設備，也可以是接收設備，或是協調發送設備和接收設備的其它控制設備。在I2S系統中，提供時鐘（SCK和WS）的設備為主設備。圖3是常見的I2S系統框圖。在高端應用中，CODEC經常作為I2S的主控設備以精確控制I2S的數據流。
圖3. I2S設備連接示意圖
I2S包括兩個聲道（Left/Right）的數據，在主設備發出聲道選擇/字選擇（WS）控制下進行左右聲道數據切換。通過增加I2S接口的數目或其它I2S設備可以實現多聲道（Multi-Channels）應用。
2. 信號定義
在I2S傳輸協議中，數據信號、時鐘信號以及控制信號是分開傳輸的。I2S協議只定義三根信號線：時鐘信號SCK、數據信號SD和左右聲道選擇信號WS。
- 時鐘信號 Serial Clock
SCK是模塊內的同步信號，從模式時由外部提供，主模式時由模塊內部自己產生。不同廠家的芯片型號，時鐘信號叫法可能不同，也可能稱BCLK/Bit Clock或SCL/Serial Clock
- 數據信號 Serial Data
SD是串行數據，在I2S中以二進制補碼的形式在數據線上傳輸。在WS變化後的第一個SCK脈沖，先傳輸最高位（MSB, Most Significant Bit）。先傳送MSB是因為發送設備和接收設備的字長可能不同，當系統字長比數據發送端字長長的時候，數據傳輸就會出現截斷的現象/Truncated，即如果數據接收端接收的數據位比它規定的字長長的話，那麽規定字長最低位（LSB: Least Significant Bit）以後的所有位將會被忽略。如果接收的字長比它規定的字長短，那麽空余出來的位將會以0填補。通過這種方式可以使音頻信號的最高有效位得到傳輸，從而保證最好的聽覺效果。
√ 根據輸入或輸出特性，不同芯片上的SD也可能稱SDATA、SDIN、SDOUT、DACDAT、ADCDAT等； √ 數據發送既可以同步於SCK的上升沿，也可以是下降沿，但接收設備在SCK的上升沿采樣，發送數據時序需考慮
- 左右聲道選擇信號 Word Select
WS是聲道選擇信號，表明數據發送端所選擇的聲道。當：
√ WS＝0，表示選擇左聲道 √ WS＝1，表示選擇右聲道
WS也稱幀時鐘，即LRCLK/Left Right Clock。WS頻率等於聲音的采樣率。WS既可以在SCK的上升沿，也可以在SCK的下降沿變化。從設備在SCK的上升沿采樣WS信號。數據信號MSB在WS改變後的第二個時鐘（SCK）上升沿有效（即延遲一個SCK），這樣可以讓從設備有足夠的時間以存儲當前接收的數據，並準備好接收下一組數據。
3. 電氣特性
- 輸出電平
VL < 0.4V VH > 2.4V
滿足驅動TTL電平IIL=–1.6mA 和 IIH = 0.04mA
- 輸入電平
VIL < 0.4V VIH > 2.4V
註：
1986的SPEC電平定義為TTL，實際應用參考具體器件手冊。
4. 時序要求
在I2S總線中，任何設備都可以通過提供時鐘成為I2S的主控設備。考慮到SCK、SD和WS的時延，I2S總線上總的時延包括：
- 外部時鐘SCK由主設備到從設備的時延；
- 內部時鐘和SD及WS的時延
外部時鐘SCK到內部時鐘的延遲對於數據和左右聲道信號WS的輸入沒有影響，因為這段延遲只增加有效的建立時間（Setup time），如圖4所示。需要註意的是發送延遲和接收設備建立時間是否有足夠的裕量。所有的時序要求和時鐘周期或設備允許的最低時鐘周期有關。不同器件的Datasheet都有單獨部分說明其時序要求，以下部分截取自I2S Bus Specification。
圖4. 發送設備時序
圖5. 接收設備時序
註：
圖4和圖5的時序要求因發送設備的時鐘速率不同而有所區別。接收設備的性能指標需要匹配發送設備的性能。表1說明I2S發送和接收時序的要求。
表1. I2S發送和接收時序
圖6是SPEC對於時鐘上升時間的定義。
圖6. 時鐘上升時間定義
5. I2S操作模式
根據SD相對於SCK和WS位置的不同，I2S分為三種不同的操作模式，分別為標準I2S模式、左對齊模式和右對齊模式：
- I2S Phillips Standard I2S格式
- Left Justified Standard 左對齊格式
- Right Justified Standard 右對齊格式
I2S模式屬於左對齊中的一種特例，也叫PHILIPS模式，是由標準左對齊格式再延遲一個時鐘位變化來的。時序如圖7所示，左聲道的數據MSB在WS下降沿之後第二個SCK/BCLK上升沿有效，右聲道數據的MSB在WS上升沿之後第二個SCK/BCLK上升沿有效。
圖7. I2S PHILIPS操作模式
標準左對齊較少使用，圖8為左對齊時序圖，和PHILIPS格式（圖6）對比可以看出，標準左對齊格式的數據的MSB沒有相對於BCLK延遲一個時鐘。左對齊格式的左聲道的數據MSB在WS上升沿之後SCK/BCLK的第一個上升沿有效；右聲道的數據MSB在WS下降沿之後SCK/BCLK第一個上升沿有效。標準左對齊格式的優點在於，由於在WS變化後的第一個SCK上升沿就開始采樣，它不需要關心左右聲道數據的字長，只要WS的時鐘周期足夠長，左對齊的方式支持16-32bit字長格式。
圖8. 左對齊操作模式
標準右對齊也叫日本格式，EIAJ (Electronic Industries Association of Japan) 或SONY格式，圖9為右對齊時序圖。右對齊格式左聲道的數據LSB在WS下降沿的前一個SCK/BCLK上升沿有效，右聲道的數據LSB在WS上升沿的前一個SCK/BCLK上升沿有效。相比於標準左對齊格式，標準右對齊的不足在於接收設備必須事先知道待傳數據的字長。這也解釋了為什麽許多CODEC都會提供多種右對齊格式選擇功能。
圖9. 右對齊操作模式
以上不同I2S對齊方式時序圖來源，詳見鏈接TI CODEC 器件手冊。
註：
標準左對齊和標準右對齊模式的LRCK/WS高低電平對應的左右聲道與標準I2S模式的規定恰好相反！標準左右對齊LRCK/WS高電平對應左聲道，LRCK/WS低電平對應右聲道；而I2S低電平對應左聲道，LRCK/WS高電平對應右聲道！
6. I2S數據時鐘（SCK）頻率計算
例如：設聲音的采樣頻率為44.1 kHz，即聲道選擇信號（幀時鐘）WS的頻率必須也為44.1 kHz；左/右2個聲道的量化深度均為16 bit，則I2S的SCK的頻率為：44.1 kHz×16×2＝1.4112 MHz
如果需要傳輸20 bit、24 bit或32 bit的左右聲道的數據，可以提高SCK的頻率，由上式可以計算出需要的SCK的頻率。
7. Master Clock
在I2S/PCM接口的ADC/DAC系統中，除了SCK和WS外，CODEC經常還需要控制器提供MCLK (Master Clock)，這是由CODEC內部基於Delta-Sigma (ΔΣ)的架構設計要求使然。MCLK時鐘頻率一般為256*WS，具體參考特定器件手冊。圖10示意Nuvoton的NAU8822L CODEC內部PLL框圖，可以清晰地看出MCLK作用的區域。
圖10. CODEC內部PLL示意圖
PCM接口
1. PCM簡介
PCM (Pulse Code Modulation) 是通過等時間隔（即采樣率時鐘周期）采樣將模擬信號數字化的方法。圖11為4 bit 采樣深度的PCM數據量化示意圖。
圖11. 4-bit PCM的采樣量化
PCM數字音頻接口，即說明接口上傳輸的音頻數據通過PCM方式采樣得到的，以區別於PDM方式。在音頻領域，PCM接口常用於板級音頻數字信號的傳輸，與I2S相似。PCM和I2S的區別於數據相對於幀時鐘（FSYNC/WS）的位置、時鐘的極性和幀的長度。其實，I2S上傳輸的也是PCM類型的數據，因此可以說I2S不過是PCM接口的特例。
相比於I2S接口，PCM接口應用更加靈活。通過時分復用（TDM, Time Division Multiplexing）方式，PCM接口支持同時傳輸多達N個（N>8）聲道的數據，減少了管腳數目（實際上是減少I2S的“組”數，因為每組I2S只能傳輸兩聲道數據嘛）。TDM不像I2S有統一的標準，不同的IC廠商在應用TDM時可能略有差異，這些差異表現在時鐘的極性、聲道配置的觸發條件和對閑置聲道的處理等。
TDM/PCM數字音頻接口的硬件拓撲結構也與I2S相近。圖12表示應用DSP作為主設備控制ADC和DAC間數字音頻流的例子。
綜合不少廠商的數據手冊，筆者發現，在應用PCM音頻接口傳輸單聲道數據（如麥克風）時，其接口名稱為PCM；雙聲道經常使用I2S；而TDM則表示傳輸兩個及以上聲道的數據，同時區別於I2S特定的格式。
圖12. TDM系統框圖
2. 信號定義
PCM接口與I2S相似，電路信號包括：
- PCM_CLK 數據時鐘信號
- PCM_SYNC 幀同步時鐘信號
- PCM_IN 接收數據信號
- PCM_OUT 發送數據信號
TDM/PCM與I2S接口對應關系見表2：
表2. PCM vs I2S接口
3. 操作模式
根據 SD相對幀同步時鐘FSYNC的位置，TDM分兩種基本模式：
- Mode A: 數據在FSYNC有效後，BCLK的第2個上升沿有效（圖13）
- Mode B: 數據在FSYNC有效後，BCLK的第1個上升沿有效（圖14）
圖13. TDM Mode A
圖14. TDM Mode B
註：
由於沒有統一標準，不同廠商對Mode A和Mode B定義可能有所差別。
在實際應用中，總是以幀同步時鐘FSYNC的上升沿表示一次傳輸的開始。幀同步時鐘的頻率總是等於音頻的采樣率，比如44.1 kHz，48 kHz等。多數應用只用到FSYNC的上升沿，而忽略其下降沿。根據不同應用FSYNC脈沖寬度的差別，PCM幀同步時鐘模式大致分為兩種：
- 長幀同步 Long Frame Sync
- 短幀同步 Short Frame Sync
長幀同步，短幀同步時序模式如下圖16和圖17所示。
註：
a. 長幀同步，如圖15所示，FSYNC脈沖寬度等於1個Slot的長度。Slot在TDM中表示的是傳輸單個聲道所占用的位數。如圖15所示TI McASP接口的TDM包括6個Slots，即它最多可包括6聲道數據。註意，Slot的位數並不一定等於音頻的量化深度。比如Slot可能為32 bit，其中包括24 bit有效數據位（Audio Word） + 8 bit零填充（Zero Padding）。不同廠商對Slot的叫法可能有所區別，比如Circus Logic稱之為Channel Block；
圖15. 長幀同步模式
b. 短幀同步，FSYNC脈沖寬度等於1個BCLK周期長度；
c. 由於沒有統一標準，不同廠商對FSYNC脈沖寬度及觸發邊沿的設置可能不同，以器件手冊為準。
圖16. 8-bit長幀同步模式
圖17. 16-bit短幀同步模式
關於長短幀同步、MSB/LSB和量化深度的區別，對應的PCM時序模式，請參考附件CSR BC06工具：pcmconfigv2_1
通過這個工具很容易理解這些變量的含義。
4. 模式設置
通過寄存器或者管腳電平設置，可以配置CODEC的DAI工作在不同的操作模式。以AKM的24bit 4ch DAC AK4413為例，如表3所示，通過設置TDM[1:0]和DIF[2:0]等5個寄存器的值，可以選擇其SDT1接口工作於20種不同模式，在Datasheet中詳細說明了每種模式的時序框圖。
表3. 數字音頻接口模式選擇
5. 時鐘（BCLK）頻率的計算
FSYNC的頻率等於音頻的采樣率（例如44.1 kHz，48 kHz等）。Frame每次傳輸包括所有聲道的數據。PCM采樣音頻數據量化深度一般在16-32bit（最常見為16/24bit）。那麽對於8聲道，每個聲道32bit音頻數據，采樣率48kHz的系統，TDM的系統時鐘速率為：8 × 32 × 48kHz ＝ 12.288 MHz
在器件Datasheet中可以見到TDM128/TDM256/TDM384/TDM512等說法，數字的含義為單個TDM數據幀包含數據的比特數（即幀長）。如上例8聲道（Channels）32bit的音頻數據，亦稱為TDM256（=8*32）。TDM系統時鐘速率就可以簡單地用采樣率乘以TDM幀長計算得出。相同的例子，TDM系統時鐘速率：48kHz × 256 ＝ 12.288 MHz
下表4列出系統時鐘SCK/BCLK和采樣率fs及TDM幀長的關系：
表4. 常見音頻采樣率對應的系統時鐘
6. 數據格式
在PCM/TDM傳輸的數據幀（Slots）中，可能還包括音頻數據之外的信息。比如在CSR BC06器件Datasheet說明，其設置為16 bit Slot字長時，3或8 bit未使用bit可以用作標簽位（Sign Extension）、零填充（Zeros Padding）或是兼容Motorola編解碼器的3 bit音頻衰減值，如圖18所示。
圖18. 16-bit位采樣字格式
7. 協議分析
以R&S的音頻分析儀UPV Audio Analyzer為例，在其DAI協議分析面板，如圖19，可以選擇每幀包含的Slots數（No of Slots，對於I2S選2），Slot的長度，Lead Bits表示有效數據相對於Slot開始位置的OFFSET（比如，Slot Length = 32, Audio Leads = 8, 則表示每個Slot起始後的第9位為有效數據 ）。如果選擇為左對齊方式（LSB），設備會自動修正Audio Leads值以得到正確的幅值測量結果。
圖19. DAI協議分析設置面板
PDM接口
PDM（Pulse Density Modulation）是一種用數字信號表示模擬信號的調制方法。同為將模擬量轉換為數字量的方法，PCM使用等間隔采樣方法，將每次采樣的模擬分量幅度表示為N位的數字分量（N = 量化深度），因此PCM方式每次采樣的結果都是N bit字長的數據。PDM則使用遠高於PCM采樣率的時鐘采樣調制模擬分量，只有1位輸出，要麽為0，要麽為1。因此通過PDM方式表示的數字音頻也被稱為Oversampled 1-bit Audio。相比PDM一連串的0和1，PCM的量化結果更為直觀簡單。
在以PDM方式作為模數轉換方法的應用接收端，需要用到抽取濾波器（Decimation Filter）將密密麻麻的0和1代表的密度分量轉換為幅值分量，而PCM方式得到的就已經是幅值相關的數字分量。圖20示意為通過PDM方式數字化的正弦波。
圖20. PDM方式表示的正弦波
PCM方式的邏輯更加簡單，但需要用到數據時鐘，采樣時鐘和數據信號三根信號線；PDM方式的邏輯相對復雜，但它只需要兩根信號線，即時鐘和數據。PDM在諸如手機和平板等對於空間限制嚴格的場合有著廣泛的應用前景。在數字麥克風領域，應用最廣的就是PDM接口，其次為I2S接口。PDM格式的音頻信號可以在比如LCD屏這樣Noise幹擾強的電路附近走線（等於沒說，這裏指數字信號抗幹擾能力相比於模擬信號更強，同樣PCM也具有此優勢）。
通過PDM接口方式，傳輸雙聲道數據只要用到兩根信號線。如圖21示意兩個PDM接口的發送設備與同一個接收設備的連接情況，比如Source 1/2分別作為左右聲道的麥克風，通過這種方式可以將采集到的雙聲道數據傳送到接收設備。主設備（此例中作為接收設備）為兩個從設備提供時鐘，分別在時鐘的上升沿和下降沿觸發選擇Source 1/2作為數據輸入。圖22為Maxim的Class-D類型功放MAX98358對PDM接口時序的要求，可以看到它在PDM_CLK的上升沿采樣左聲道數據，在PDM_CLK下降沿采樣右聲道數據。
圖21. PDM連接示意圖（2發送設備 + 1接收設備）
圖22. PDM時序框圖
基於PDM的架構不同於I2S和TDM之處在於，抽取濾波器（Decimation Filter）不在發送設備，而在接收設備內部。源端輸出是原始的高采樣率（oversample）調制數據，如Sigma-Delta調制器的輸出，而不是像I2S中那樣的抽取數據（An I2S output digital microphone includes the decimation filter, so its output is already at a standard audio sample rate that‘s easy to interface to and process.）。基於PDM接口的應用降低了發送設備的復雜性，由於作為接收設備的CODEC內部集成抽取濾波器，因此系統整體復雜度大大降低。對於數字麥克風而言，通過使用面向CODEC或處理器制造的更精細矽工藝，而非傳統麥克風使用的工藝，可以實現更高效率的抽取濾波器。
其它接口
S/PDIF: Sony/Philips Digital Interface Format
Intel HDA: Intel High Definition Audio
Ethernet AVB: Audio Video Bridging
免責聲明
筆者剛開始接觸音頻方面的設計，知識體系並不完善。求助於Google和Wiki，把相關的資料在這裏以筆者認為容易懂的方式組織，是為此文。當然，本文必然存在不足和失當之處，歡迎各位朋友賜教指正。文章內容作者可能隨時更新！
參考資料
1. I2S Bus Specification -Philips
2. Pulse Code Modulation -Wikipedia
3. Pulse Density Modulation -Wikipedia
4. MS-2275: Common Inter-IC Digital Interfaces for Audio Data Transfer -Analog
5. AN282: The 2-Channel Serial Audio Interface -Cirrus Logic
6. AN301: Time Division Multiplexed Audio Interface -Cirrus Logic
7. WM8778: 24-bit, 192kHz Stereo CODEC -Cirrus Logic
8. TLV320AIC31: Low-power Stereo Audio Codec For Portable Audio/Telephony -TI
9. ANA-123: Audio CODEC Application Note -Nuvoton
10. NAU85L40: Quad Audio ADC with Integrated FLL and Microphone Preamplifier -Nuvoton
11. AK4413: High Performance 120dB 24-Bit 4ch DAC -AKM
12. R&S?UPV User Manual -R&S
13. Understanding PDM Digital Audio -Audio Precision
14. Analog and Digital MEMS Microphone Design Considerations -Analog
15. MAX98358: PDM Input Class D Audio Power Amplifier -Maxim
數字音頻接口