转载：TDM协议

转自http://www.wangdali.net/i2s/

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。图11为4 bit 采样深度的PCM数据量化示意图。

图11. 4-bit PCM的采样量化

 

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。图12表示应用DSP作为主设备控制ADC和DAC间数字音频流的例子。

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。

 

 图12. TDM系统框图

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接口对应关系见表2：

表2. PCM vs I2S接口

 

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(I2S format): 数据在FSYNC有效后，BCLK的第2个上升沿有效（图13）
• Mode B(LJ): 数据在FSYNC有效后，BCLK的第1个上升沿有效（图14）

 

图13. TDM Mode A

 

图14. TDM Mode B

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

长帧同步，短帧同步时序模式如下图16和图17所示。

 

注：

a. 长帧同步，如图15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15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；

 

图15. 长帧同步模式

 

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。

 

图16. 8-bit长帧同步模式

 

 

图17. 16-bit短帧同步模式

 

4. 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BCLK时钟速率为：8 × 32 × 48kHz ＝ 12.288 MHz

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）。如上例8声道（Channels）32bit的音频数据，亦称为TDM256（=8*32）。TDM系统时钟速率就可以简单地用采样率乘以TDM帧长计算得出。相同的例子，TDM系统时钟速率：48kHz × 256 ＝ 12.288 MHz

下表4列出系统时钟SCK/BCLK和采样率fs及TDM帧长的关系：

表4. 常见音频采样率对应的系统时钟

 

5. 数据格式

 

在PCM/TDM传输的数据帧（Slots）中，可能还包括音频数据之外的信息。比如在CSR BC06器件Datasheet说明，其设置为16 bit Slot字长时，3或8 bit未使用bit可以用作标签位（Sign Extension）、零填充（Zeros Padding）或是兼容Motorola编解码器的3 bit音频衰减值，如图18所示。

图18. 16-bit位采样字格式