音频信号类型及协议基础知识

一、模拟信号

    智能硬件产品中，模拟音频主要用在：喇叭播放声音、Line-in外接音源、麦克风输入等。通常看到的音频波形，都是模拟音频，能够和声音实际的波动完全对应起来。 

 　

 

 

当前有不少音频产品使用D类音频功放，输出波形看起来是方波，但实际上还是属于模拟音频类型。是高频载波叠加的模拟音频的波形，经过LC滤波之后能够还原成模拟音频波形。

如下图，下半部分是D类功放输出的方波状的音频信号，上半部分的正玄波是还原出来的模拟音频波形。

 

二、数字信号（I2S/PCM/TDM/PDM/SPDIF）

1.IIS(I2S):  Philips Inter-IC sound Bus，一根data线最多2 channel数据。

　　I2S(Inter-IC Sound Bus)是飞利浦公司为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。在飞利浦公司的I2S标准中，既规定了硬件接口规范，也规定了数字音频数据的格式。

　　特点 :效率高主要传输音乐。

    （1）从MCU往Codec传音乐数据，一般使用I2S。先传高位再传低位，数据的MSB从LRCLK边沿起延迟1 BCLK。包含三个时钟：

• 主时钟（MCLK）系统时钟，一般是12.288MHz  18.432MHz等 ，一般是位时钟（Bclk）的256倍或384倍；
• 左右声道帧时钟（LRCLK）低电平左声道 高电平右声道；
• 位时钟(BCLK，也有叫串行 )传输一位数据的时钟周期;

    （2）对齐方式
　　　　左对齐 ：数据的MSB在LRCLK边沿起第一个BCLK上升沿  用的比较少
　　　　右对齐 ：数据的LSB靠左LRCLK的上升沿    sony使用这种格式
    （3）电压（TTL） 输出 VL <0.4V     VH>2.4V   输入电压 VIL=0.8V   VIH=2.0V

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　IIS标准格式
   

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　右对齐模式

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　左对齐模式

 

2.PCM:  区别于PCM编码，也是种通讯协议，主要传送语音。PCM（PCM-clock、PCM-sync、PCM-in、PCM-out）脉冲编码调制，模拟语音信号经过采样量化以及一定数据排列就是PCM。

      PCM和I2S差不多，也是4根线，通常用于AP处理器和通信MODEM之间传输语音数据（就是双向打电话的数据）。

　　long frame 模式下，LRCK脉冲宽度占2个BCLK时钟周期。

       short frame模式下，LRCK 只占一个BCLK时钟周期，如下图：

 

 

 　另外I2S只能传2个声道的数据，PCM可以传多达16路数据，采用时分复用的方式，就是TDM。像现在最流行的语音智能音箱的7麦克风矩阵，一般都是用TDM来传的数据，同时可以传输7路麦克风输入和3路以上的音频反馈信号。AP处理器和蓝牙之间也是通过PCM来传输语音数据，打电话的蓝牙数据走的是PCM，放音乐的蓝牙数据走的是串口（不是PCM）。

 

3.TDM: 包括PCM format 和 I2S format，下图是TDM-I2S Mode, 在I2S format下传输多channel。

4.PDM ：只有2根线，传音乐，编码方式和I2S不同

　　声音通过声学传感器获得模拟信号，经过AD，得到音频数字信号，然后再经过PDM(Pulse Density Modulation)脉冲密度调制（通俗理解就是利用脉冲的密度来表示模拟信号的强度），一般MCU接收到PDM需经过以下步骤才能得到音频信号：

　　　　

 

   很多数字麦克风使用的PDM接口，有数据和时钟两根线。PDM接口和I2S最大的区别是编码方式不同。

　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　PDM和I2S接口的数字麦克风

 

5.SPDIF：Sony/Philips Digital Interface 是SONY、PHILIPS数字音频接口的简称。

•  传输方式而言，SPDIF分为输出（SPDIF OUT）和输入（SPDIF IN）两种.
• 传输载体而言，SPDIF又分为同轴和光纤两种，其实信号是相同的.
• S/PDIF往往被用来传输压缩过的音频讯号，它由 IEC 61937标准而定制。
• 它通常被用在支持杜比技术或DTS 环绕效果的家用DVD影院上。

6.A2B （Automotive Audio Bus）：车载音频总线，ADI 针对 车内解决复杂布线 设定的协议   有主机 和从机 支持幻象供电 最多32路数据 双绞线 可以传输I2C 控制信号及数据。

7.USB : 很多外接的音频模块上，用的是USB音频。像科大讯飞的多mic降噪模块，用的就是usb接口，方便调试。但是万变不离其宗，不管用的什么接口，传输的都是PCM或者PDM编码的数字音频。

 

 

三、ARC/eARC

 

1.ARC:「音频回传信道」( Audio ReturnChannel)， 是2009年HDMI论坛提出HDMI1.4版时所增加的附加功能。如果你用电视连接有线电视机顶盒或是其它的信号源，又嫌电视机本身的音效不够好，可以透过数字光纤或数字同轴将音频输出给其它的音响器材，以获得较佳的声音质量。如果电视与环绕放大机两方均搭载HDMI1.4端口(或高于HDM1.4版本)，就可以让环绕放大机的音效从电视回传给环绕放大机或是其它的音响器材，让音响系统能取代电视喇叭发声，等于可以减化线材的连接，你只要用一条HDMI线，就可以从环放传送影音频号给电视，必要时，这条HDMI线也可以把电视的音效回传给环绕放大机。

　　　　　　　　

 

 

 

 

2.eARC: 2017年时HDMI论坛提出HDMI2.1版时，也就是 「 增强版音频回传信道」(Enhanced AudioReturn Channel) 功能的意思。和先前的ARC技术相比eARC提升很多， 在音频传输能力方面，eARC的最大资料率可以达到37Mbps左右( ARC仅有1~3Mbps左右)，是十几倍的成长，这让eARC不仅能传送无压缩的5.1或7.1多声道音频(也就是Dolby True HD和DTS HD-MA)，而且还能传送先进的「物体导向」音频(也就是Dolby Atmos和DTS:X)，至此，网络串流的影音规格有很大部分赶上了4K蓝光光盘的规格。 相比之下，旧有的ARC只支持Dolby Digital、DTS、PCM 2.0...这类上一代的声音格式，已经不符合今日的需求。 而eARC的诞生，也促使Netflix在提供网络影片时增加Dolby Atmos音效的比例。