数字音频接口之I2S总线协议详解

数字音频接口之I2S总线协议详解

应用场景#

I2S(Inter-IC Sound)是一种广泛应用于数字音频传输的串行接口标准,一种用于在数字音频设备之间传输音频数据的串行总线标准。它最初由飞利浦(Philips)公司开发,用于解决在集成电路之间传输音频数据的问题,主要用于连接音频编解码器(CODEC)、数字信号处理器(DSP)和其他音频设备。I2S协议定义了音频数据的传输格式、时序和控制信号。在工作中音频采集和输出,AD和主芯片之间的通信均是通过I2S进行通信的,其应用场景如下:

I2S RX方向麦克风在机械振动下将声音信号转变为电压信号,电压信号经过放大等处理,给到ADC采样,将模拟信号转化为数字信号;音频在ADC与DSP之间的传输协议就是使用的I2S协议

I2S TX方向数字信号经过编码、存储、压缩等技术后,发送给解码器-DAC(DSP、专用解码器),将数字信号还原为模拟信号,最后给到喇叭完成声音/音频的播放。音频在DAC与DSP之间的传输就是使用I2S协议

I2S的应用

上图中,RX方向对应麦克风的模拟信号的输入;TX方向对应输出模拟信号到喇叭。

I2S基本信号#

I2S基本信号线#

I2S协议基本时序关系

如上图I2S接口通常由三类信号线组成,分别是:

  • 时钟线(Continues Serial Clock,SCK):SCK线提供了同步音频数据传输的时钟信号。确定了数据传输的速度和时序。该时钟也称为Bit Clock(BCLK)。SCK的频率=2x采样频率x位宽

    SCK(Serial Clock,串行时钟):

    也称为位时钟(Bit Clock)或BCLK

    用于同步数据传输

    每个时钟周期对应一个音频数据位

    频率取决于音频采样率数据位数

  • 左/右声道线(Left-Right Clock,LRCK):LRCK线指示了当前传输的是左声道的音频数据还是右声道的音频数据。它被称为帧同步信号。LRCK的频率=采样频率

    WS(Word Select,字选择):

    也称为左右声道时钟(Left/Right Clock)或LRCK

    用于指示当前传输的是左声道还是右声道的数据

    通常WS为高电平传输左声道数据低电平传输右声道数据

    频率等于音频采样率

  • 数据线(Serial Data,SD ):SD线用于传输实际的音频数据。数据的位宽可以根据具体应用而变化,通常为16位或32位。TX方向为:Serial Data Out(SDOUT);RX方向为:Serial Data In(SDIN)。

    SD(Serial Data,串行数据):

    用于传输实际的音频数据

    数据在SCK的上升沿或下降沿(取决于设备)被采样。

    数据格式通常为二进制补码。

I2S协议中常见的参数#

  • 位宽(Word Length):位宽指定每个采样数据的位数,通常为16位或32位。较大的位宽可以提供更高的分辨率和动态范围

  • 时钟极性(Clock Polarity):时钟极性确定了数据位传输的时钟沿。根据具体的I2S设备和系统设置,可以定义在时钟上升沿或下降沿开始数据传输

  • 帧同步极性(Frame Sync Polarity):帧同步极性确定了帧同步信号的有效电平。帧同步信号指示音频数据的帧起始和结束位置

  • 传输格式(Data Format):传输格式定义了音频数据的编码方式,传输格式还可以指定数据的顺序如左声道先传输还是右声道先传输

数据传输格式#

I²S数据传输格式通常包括以下几个部分:

  1. 声道选择
  • WS信号指示当前传输的是左声道还是右声道的数据。
  1. 数据对齐
  • 数据通常在WS信号变化后的一个SCK周期开始传输。

  • 数据位数可以是16位、24位或32位,具体取决于设备。

  1. 数据延迟
  • 数据可能会在WS信号变化后延迟一个SCK周期才开始传输,这称为数据延迟。

时序图#

I2S信号的时序图通常如下所示:

  • WS信号在左声道时为高电平,右声道时为低电平。

  • SD数据在SCK的上升沿或下降沿被采样。

  • 数据在WS信号变化后的一个SCK周期开始传输。

应用#

I2S广泛应用于各种音频设备中,包括:

  • 音频编解码器:用于将模拟音频信号转换为数字信号,或反之。

  • 数字信号处理器:用于音频信号处理。

  • 微控制器:用于控制和传输音频数据。

  • 音频接口:如耳机、扬声器等。

主从工作模式#

I2S工作模式可以是主模式(Master Mode)从模式(Slave Mode)。两者唯一的区别是:Master Mode提供时钟信号(SCK)和帧同步信号(LRCK)。如下图所示,一共存在三种工作模式,分别是:

1.发射器(transmitter)为Master,接收器(receiver)为Slave,此时由发射器提供SCK和LRCK

2.接收器(receiver)为Master,发射器(transmitter)为Slave,此时由接收器提供SCK和LRCK

3.发射器(transmitter)和接收器(receiver)均为Slave,由系统中其他模块提供SCK和LRCK


I2S的主从工作模式

数据传输模式#

I2S接口标准中,存在三种数据传输模式,分别是:飞利浦标准模式(I2S mode),左对齐(Left Justified)和右对齐(Right Justified)三种传输模式。

飞利浦标准(I2S)模式#


I2S标准模式接口时序

其主要特点如下:

(1)LRCK(左右声道选择信号):LRCK信号用于指示当前数据帧是左声道数据还是右声道数据。飞利浦格式中,当LRCK为低时,表示当前传输的数据是左声道数据;当LRCK为高时,表示当前传输的数据为右声道数据

(2)SCK(位时钟):数据传输的时钟信号。在SCK下降沿发送数据,在SCK上升沿采样数据

(3)Data Delay:发送的有效数据相对于LRCK的跳变沿(从0到1或从1到0延迟一个时钟周期

(4)数据发送从MSB开始数据MSB与LRCK delay 1个SCK的边沿对齐

左对齐(Left Justified)模式#


左对齐模式接口时序

其主要特点如下

(1)在左对齐格式中,LRCK为高时,表示当前传输的数据为左声道数据;当LRCK为低时,表示当前传输的数据为右声道数据

(2)在SCK下降沿发送数据,在SCK上升沿接收数据

(3)无data delay:发送的有效数据相当于LRCK跳变沿(从0到1或从1到0不延迟

(4)数据发送从MSB开始数据MSB与LRCK跳变沿对齐

3.右对齐(Right Justified)模式


右对齐模式接口时序

其主要特点如下

(1)右对齐格式中,LRCK为高电平时,表示当前传输的数据为右声道数据;当LRCK为低电平时,表示当前传输的数据为左声道数据

(2)在SCK下降沿发送数据,在SCK上升沿接收数据

(3)无Data delay:发送的有效数据相当于LRCK跳变沿(从0到1或从1到0不延迟

(4)数据发送从MSB开始数据LSB与LRCK跳变沿对齐

数据位宽与位深#

(1)位宽:根据SCK与LRCK的关系:

采样频率位宽一般为16位或32位

(2)位深:表示音频数据量化后的精度

需要注意的是,I2S中位宽和位深都是由Master决定的。因此在使用时需要先确定本模块在系统中的工作模式(Master or Slave)。下面以32位位宽,32/24/20/16位位深为例,说明位宽与位深的区别(以下例子的数据格式均为I2S格式)。

32位位宽,32位位深#

位宽=32bit,位深=32bit

32位位宽,24位位深#

位宽=32bit,位深=24bit

32位位宽,20位位深#

位宽=32bit,位深=20bit

32位位宽,16位位深#

位宽=32bit,位深=16bit

I2S初始化配置#

  1. i2s的时钟使能和GPIO口配置
  2. 配置为i2s模式
  3. i2s标准,无论有多少位有效数据,即数据的最高位总是出现在WS变化(也就是一帧开始)后的第2个CK脉冲处。
  4. i2s数据长度,包括16位,16位扩展(16位数据以32位包发送),24位,32位。
  5. 设置i2s时钟
  6. 设置i2s空闲状态下时钟电平
  7. i2s使能,设置I2S的采样率。采样率一般在8K-192K之间。

总结#

I2S是一种高效、简单的数字音频传输协议,广泛应用于各种音频设备中。通过SCK、WS和SD三条信号线,I2S能够实现高质量的音频数据传输,支持多种数据格式和采样率。理解I2S信号的时序和数据格式对于设计和调试音频系统至关重要。

1、SDATA,也就是串行数据信号,使用二进制传输数字信号。请注意数据的传输形式为补码的方式

2、例如音频的采样率是8K,一s内存采样8K个点,一个点包含一个左声道,一个右声道,所以LRCK是8K,BCLK是2×采样频率×采样位数

3、同时双向(TX和RX)音频流:串行数据同步移位到时钟信号SCK和LRCK。在SCK的下降沿将TX数据写入SDOUT引脚,并在SCK的上升沿从SDIN引脚读取RX数据。始终首先发送最高有效位(MSB);TX和RX均可在主模式和从模式下使用。

4、MCLK:主时钟(也名过采样率),一般是采样频率[不是bclk而是LRCK]的128、或256、或384或512倍。

普通IO模拟I2S接口#

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